列车-轨道-桥梁动力相互作用分析

提出了一个新的计算单元 :车 轨道 桥单元 ,用有限元法分析列车、轨道、桥梁结构的动力相互作用 .数值计算结果表明 ,轨道结构对桥梁结构动力响应的影响较小 。

专著《列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用》出版

中国科学院院士、西南交通大学首席教授翟婉明博士与北京交通大学夏禾教授等合作撰写的学术著作《列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用》,已由科学出版社出版发行。该书由国家科学技术学术著作出版基金资助出版,核心成果曾获得2009年国家科技进步二等奖。

专著《列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用》出版

中国科学院院士、西南交通大学首席教授翟婉明博士与北京交通大学夏禾教授等合作撰写的学术著作《列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用》，已由科学出版社出版发行。该书由国家科学技术学术著作出版基金资助出版，核心成果曾获得2009年国家科技进步二等奖。

专著《列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用》出版

中国科学院院士、西南交通大学首席教授、本刊主编翟婉明博士与北京交通大学夏禾教授等合作撰写的学术著作《列车-轨道-桥梁动力相互作用理论与工程应用》，已由科学出版社出版发行．该书由国家科学技术学术著作出版基金资助出版，核心成果曾获得2009年国家科技进步二等奖．

地震激励下列车-轨道-隧道-土体相互作用系统动力分析

为研究地震激励下列车-轨道-隧道-土体相互作用系统的动力学行为,建立三维列车-轨道-隧道-土体耦合时变动力学模型,以不同强度的地震波和轨道不平顺为系统激励源,通过实际地震动记录进行规格化处理纵向、横向和垂向地震动波,分析不同土质条件、地震强度下列车-轨道-隧道-土体系统动力响应特征。研究结果表明:地震作用可显著增大隧道内列车动力响应,在不同土质条件下,横向轮轨力的波动较无地震激励时显著增大,波动幅度平均增加92.23%,而垂向轮轨力的波动幅度平均增加7.14%,车体垂向、横向加速度分别增大89.50%和25.93%;在不同地震强度下,轮轨横向力与轮轨垂向力在地震强度为0.40g时达到最大,分别为46.760 1 kN与94.8637 kN,相较于地震强度0.35g时分别增大182.68%与5.35%,脱轨系数相较于地震强度0.35g时增幅达到168.28%;地震下土体振动呈放大效应,土体弹性模量较外部激励对放大系数的影响十分显著,其中,放大系数在土体弹性模量最大时为4.080 4;隧道的存在会隔断土体振动传播,隧道顶部土体加速度较隧道底部土体加速度降低约86%。

土-承台动力相互作用对砂土场地桩基桥梁地震反应的影响

在桩基桥梁的地震反应分析中,桩-土动力相互作用是个重要的问题,而对于采用低桩承台基础的桥梁,承台埋在土面以下,还存在土与承台之间的动力相互作用。目前,地震反应分析中一般不考虑土-承台动力相互作用的影响,相关研究也很少。为此,利用OpenSees有限元分析程序,基于p-y曲线建立了土-结构一体化桩基单墩模型,选择40条实际岩石场地地震记录作为输入,开展了考虑土-承台动力相互作用的桩基桥梁地震反应分析。结果表明,考虑土-承台动力相互作用后,结构的基本周期会减小,墩底曲率会明显增大,桩顶曲率会大幅减小,但墩顶位移的减小可以忽略。

桥墩沉降下列车-轨道-桥梁系统动力性能分析

为探明桥梁沉降与钢轨空间几何变形映射关系及其对列车动态行为的影响,建立轨道-桥梁多尺度有限元分析模型,开展桥墩沉降下钢轨变形映射分析研究;构建列车-轨道-桥梁系统相互作用分析模型,将桥墩沉降诱发的钢轨变形视为系统附加不平顺,探究桥墩沉降对列车系统动态行为的影响。结果表明:桥墩沉降诱发轨道几何平顺性产生显著变化,其将改变不平顺的中长波成分,进而对列车行车性能产生影响;差异沉降是影响列车性能最主要的因素,随着差异沉降幅值的增大列车最大加速度和平稳性指标均呈增大趋势,差异沉降对列车动力行为的影响大于一致沉降;提出基于行车性能的桥墩沉降阈值和行车速度,单墩沉降50 mm时,列车行车速度不应大于300 km/h,当行车速度为400 km/h时,应控制桥墩沉降量不大于35 mm。

桥梁收缩徐变诱发高速列车-CRTS Ⅱ型板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用研究

混凝土桥梁的收缩徐变效应在高速铁路桥梁工程中不可避免,会导致桥梁竖向变形,并最终导致CRTSⅡ型纵连板式轨道和桥面之间出现脱空。针对这一实际工程问题,深入研究收缩徐变引起的高速列车-纵连板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用问题。对桥梁收缩徐变下纵连板式轨道-桥梁系统非线性接触机制进行讨论;提出桥梁收缩徐变条件下高速列车-纵连板式轨道-桥梁系统非线性动力相互作用研究方法;在此基础上研究桥梁收缩徐变对桥轨非线性接触行为、轨道层间相互作用、轨道混凝土结构附加动应力以及列车动态特性的影响。研究表明:提出的研究方法可以有效地研究收缩徐变条件下列车-纵连板式轨道-桥梁结构的动力相互作用问题。在收缩徐变条件下,梁端处出现了底座和桥面间的脱空现象。列车动荷载引起桥轨接触力明显增大,同时也导致脱空区域发生明显变化。整体来看脱空区域长度对速度并不敏感。梁端位置处的轨道层间力有明显变化,砂浆力变化比扣件力剧烈。轨道板和底座上表面主要以承受拉应力为主,仅在脱空区域附近才出现局部受压;而下表面则呈现相反的应力分布。收缩徐变效应主要影响列车的振动,而对轨下结构的振动影响较小。

基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要。为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟。引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略。基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息。研究结果表明:与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1~2个数量级。此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变大。研究结果进一步拓展了列车-轨道-桥梁随机系统的分析方法,可以高效地用于系统状态评估和设计优化。

地震作用下城市轨道交通桥梁-轨道系统关键部件易损性分析

为对地震作用下城市轨道交通桥梁-轨道系统关键部件损伤状态进行分析,以上海城市轨道交通11号线高架段为研究对象,通过OpenSees建立梁轨一体化抗震分析模型。选取符合目标反应谱的10条地震波进行调幅,将调幅后的地震波输入抗震分析模型中;选取桥梁支座、钢轨以及轨道扣件作为轨桥系统关键部件,进行增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)并提取对应的IDA曲线,对IDA曲线进行回归分析得到支座与扣件地震概率需求模型数学表达式;提出支座、钢轨以及轨道扣件损伤状态界限值,基于正态分布假设得到支座与扣件不同损伤状态下超越概率,据此绘制易损性曲线。结果表明,罕遇地震作用下钢轨横向残余变形较小,发生轻度损伤概率为0%;当峰值加速度超过0.5g时,支座发生轻度损伤超越概率显著增加,扣件发生轻度损伤的超越概率接近100%;选取不同损伤指标对扣件进行易损性分析时,以位移幅值为损伤指标得到的扣件损伤概率更高;随着地面峰值加速度的增大,扣件有较大概率先于支座发生损伤。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。

侧风作用下高速磁浮列车-轨道梁耦合动力响应分析

侧风作用是影响高速磁浮系统动力设计的重要因素之一。为获得侧风作用下高速磁浮列车-轨道梁耦合振动响应,首先,建立了风-静悬磁浮列车-轨道梁(WSMG)和风-移动磁浮列车-轨道梁(WMMG)空间耦合分析模型。然后,通过风洞试验对磁浮车辆的气动特性进行测试。磁浮列车的控制系统采用比例-积分-微分(PID)控制器和加速度反馈相结合的比例-积分-微分-加速度(PIDA)控制算法进行调控。最后,分析了平均风、脉动风、风速和车速对磁浮系统动力响应的影响。结果表明:PIDA控制算法可以消除侧风引起的磁浮间隙稳态误差,并减小大约40%的车体横向位移;均匀风只改变列车的平衡位置,脉动风和轨道不平整是引起磁浮列车-轨道系统振动的主要原因;风速对车辆的横向振动的影响更为敏感,当风速超过30 m/s时,高速磁浮列车应停止运行。

液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用大型振动台模型试验研究

大型振动台模型试验是目前研究土 -结动力相互作用的一种极其有效的手段。以 1976年唐山地震中倒塌的胜利桥为原型 ,开展 1∶10模型的液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用大型振动台模型试验研究 ,很好地再现了自然地震触发地基砂土液化的各种主要宏观震害现象 ,并且模型桩的试验破坏状况与其原型的实际震害情况也比较吻合。主要介绍有关此次大型振动台模型试验的相似设计、操作技术及试验结果等方面的若干关键科学问题 ,以飨同仁。

液化场地桩-土-桥梁结构动力相互作用振动台试验研究进展

本文在全面归纳与总结液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用振动台试验及与之相关领域的国内外研究进展基础上 ,直接针对我国桥梁工程中的主要震害问题 ,提出在我国开展液化场地桩 -土 -桥梁结构动力相互作用振动台试验研究的必要性 ,并阐述作者对液化场地桩 -土

桩基础桥梁的土-结构动力相互作用

首先以加权残差公式为基础 ,采用积分方程方法推导与桩基础对应的层状场地动力刚度矩阵公式 ,并用解析解验证了数值分析的计算结果 ;然后用子结构法联合积分方程方法和有限元法的计算结果 ,求解土 -结构动力相互作用的地震响应 ;最后以芜湖长江大桥主跨斜拉桥长塔墩的地震响应为例 ,将本文的计算结果与 Penzien模型的计算结果作了比较。

Rayleigh波作用下桩-土-桥梁结构动力相互作用问题研究

基于等效粘弹性人工边界单元建立了可考虑成层介质及Rayleigh波输入的二维有限元时域模型,计算了Rayleigh波作用下成层介质与均匀介质的自由场反应,与理论解比较表明有限元计算结果具有较好的工程精度。针对Rayleigh波作用下桩-土-典型刚构桥梁结构动力反应进行了分析,考虑了场地条件的不同、软夹层位置的改变、不同频率Rayleigh波的输入以及桩长对Rayleigh波传播与场地地震反应的影响,对影响因素进行了讨论。

考虑水-土-桥梁动力相互作用的大跨桥梁地震反应分析

为了研究地震动作用下动水压力对深水桥梁的影响,基于局部动力人工边界、流体边界及流固耦合理论方法建立了水-土-单桩整体模型,通过水平地震作用下的动力时程反应分析,同简化的Morison方程法模拟方式及无水模型进行对比分析,研究考虑桩土作用前提下工程简化方法和考虑流固耦合的整体方法的差异,以及桩土作用下动水压力对单桩结构动力反应的影响。在此基础上,以某跨海大跨连续刚构桥为背景,首次建立了水-土-桥梁系统的整体动力有限元模型,研究水-土-桥梁系统的地震动力反应,分析了桥梁各构件的内力幅值和分布规律,并与未考虑动水作用下的桥梁结构进行对比,分析了动水压力对深水桥梁的地震反应的影响规律。结果表明,动水作用受地震波频率影响较大,但规律相近,相同外部环境下,由于上部结构和桩土相互作用的不同,动水压力对单桩的影响大于大跨桥梁桩基础的影响。对于大跨桥梁,动水作用对处于水中桩基础的影响较大,水中部分的桩基础内力增幅最大,对水位以上的桥墩影响稍小,考虑动水作用后主梁轴力增加,弯矩减小。

考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用研究现状与展望

冻土和地震是我国西部高寒高烈度地区桥梁工程建设中主要面临的两大挑战。冻土区线路工程广泛采用桩基础桥梁,土体冻结后会显著影响地震作用下桩-土动力相互作用过程,给桩基础桥梁抗震分析带来困难。首先系统总结和分析了冻土对桥梁结构地震响应的影响、桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状,进而对相关成果进行了科学分析。研究表明:冻土的存在对桥梁结构地震反应的影响是显著的,桩基础桥梁抗震设计中不考虑冻土效应是不合理的。目前还存在的问题包括:冻土区桥梁结构地震反应的研究中,未充分考虑冻土效应;现有桩-土相互作用模型无法有效应用于冻土领域;地震作用下桩-冻土体系相互作用机理及其破坏特征不明确。在此基础上,提出了考虑冻土效应后桥梁桩-土动力相互作用为今后需要重点研究的方向。

路基不均匀沉降下列车-有砟轨道-路基三维耦合系统动力响应分析

基于多体动力学与有限单元法建立列车-有砟轨道-路基三维耦合系统精细化数值模型,并提出一种新的迭代方法,将路基余弦型不均匀沉降作为位移边界条件,通过判断轨道结构与路基结构间的接触状态,研究路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下的轨道结构伴随性变形,计算列车动力响应、轮轨接触力和轨枕与道砟间的接触力等,进而模拟分析不同波长和幅值的不均匀沉降对上述动力响应和轨枕空吊等病害的影响,揭示路基不均匀沉降与钢轨变形之间的映射关系。研究结果表明:轨道结构伴随性变形随路基沉降幅值的增大而增大,且在一定沉降范围内引发轨枕空吊等病害;耦合系统结构动力响应随路基沉降幅值的增大而增大;随沉降波长增大,轮重减载率和轮轨力减小,而车体竖向加速度呈现先增大后减小的变化趋势,并存在10 m左右的敏感波长使得车体竖向加速度最大;路基不均匀沉降可加剧轨枕和有砟道床间的相互作用,进而加剧沉降发展。

多动力作用下高速铁路轨道-桥梁结构体系动力学及关键技术研究

针对多动力(列车、地震、侧风)作用下高速列车-轨道-桥梁系统动力学理论与关键技术存在的诸多技术疑难,持续开展了高速铁路轨道-桥梁结构体系模型试验、现场测试、理论分析与数值仿真,提出基于概率密度演化理论的多动力作用下轨道-桥梁系统随机振动分析方法和基于可靠度理论的桥上行车安全评定方法,研发了高速铁路轨道-桥梁系统试验平台和成套试验技术,提出高速铁路轨道-桥梁系统抗震设防和防风设计理念和评估方法,并研发了抗震防风及减灾技术,研究成果已在高速铁路轨道-桥梁结构体系设计与运营维护中推广应用。