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。

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。

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%。

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统(Train-Track-BridgeCoupledSystem,TTBS)动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法(Improved Hybrid Method,IHM)。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。

无砟轨道约束对高速铁路列车-桥梁系统地震响应的影响

建立了38自由度高速列车(动车/拖车)空间振动模型,基于非线性Hertz接触理论和Kalker线性蠕滑理论,引进PEER-NGA强震记录,建立地震作用下的高速铁路列车-无砟轨道/钢轨-桥梁-支座-桥墩-桩土系统精细计算模型,考虑支座刚度和桩土作用及近场地震效应的影响,以高速铁路32m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序,计算了有/无砟轨道约束下高速列车-桥梁时系统的地震响应。计算结果表明,不考虑三层无砟轨道时列车-桥梁系统模型由于桥梁刚度过大,列车-无砟轨道-桥梁系统的各项地震响应较列车-钢轨-桥梁系统有较大增加;对于有/无地震作用时,采用无砟轨道均可有效改进列车走行性能,近断层地震脉冲效应对有/无砟轨道约束系统动力响应及列车走行安全指标影响均较大。

非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

为探讨行波效应对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,采用35个自由度的机车车辆模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型,通过引入地震多点激励模式,建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型,并编制了相应的仿真分析程序.以跨度32 m的简支梁桥为例,输入El Centro地震波,计算了一致激励和行波激励下车桥系统的动力响应.结果表明:行波效应对耦合系统动力响应幅值的影响很大.当车速为350 km/h、行波速度为300 m/s时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力比一致激励分别降低84.1%、19.5%和87.8%.因此,忽略行波效应可能造成对地震时桥上列车行车安全的误判.

地震作用下车辆-轨道-桥梁系统振动台台阵试验与列车预警速度阈值研究

针对地震作用下高速铁路桥上行车的安全性问题,设计完成车辆-轨道-桥梁大型振动台台阵缩尺模型试验,制作了1∶10车辆、轨道及桥梁结构的模型,根据缩尺模型相似定理研究了不同地震强度下列车脱轨问题,并利用数值仿真方法建立了CRH380BL高速列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,通过对比分析试验结果与数值仿真分析结果,验证了数值分析模型的可靠性。在此基础上,以行车安全性及舒适度指标作为评判标准,利用上述仿真分析模型计算得到了不同地震强度等级下各项评价指标所对应的列车运行速度临界值,并探讨了现行规范中的地震预警阈值选取问题。研究结果表明:对于静止状态下的车体模型,在地震动峰值加速度为0.25g的ALS地震波作用下,车体将会发生脱轨。随着输入地震动峰值加速度的增大,舒适度指标最先超出限值,车辆的行车安全性指标次之,脱轨系数和舒适度指标控制的速度阈值逐渐减小,轮重减载率和横向轮轨力控制的速度阈值基本不变,舒适度指标对地震激励最为敏感,脱轨系数次之,轮重减载率和横向轮轨力最不敏感。在输入地震波的峰值加速度≤50gal时,车辆运行速度临界值取决于列车舒适度指标,速度阈值为160km/h;当输入地震波的峰值加速度达到60gal时,速度阈值降为140km/h;当输入地震波的峰值加速度达到80gal时,速度阈值降至140km/h以下,出于安全考虑建议此时采取紧急停车措施。

拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响

为探讨结构拟静力分量对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,考虑路基和桥梁地震力边界条件,分别采用相对运动法和大质量法,在相对坐标系和绝对坐标系下处理地震力边界条件,建立了不同坐标系下的列车-轨道-桥梁系统地震响应分析模型.以跨度48 m+5×80 m+48 m的刚构-连续组合梁桥为例,分析了结构单向和三向拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响.结果表明:结构横向拟静力分量将显著增大桥梁横向位移、钢轨横向位移、列车脱轨系数和轮重减载率,而纵向、竖向拟静力分量的影响甚微;同时考虑结构的三向拟静力分量时,列车脱轨系数和轮重减载率均显著增大,且其相对误差随列车速度提高而增大,最大达30.5%和22.2%.因此,不考虑结构拟静力分量在列车速度较高时将严重低估车辆的动力响应,对桥上列车的行车安全性造成误判.

重载列车-轨道-桥梁纵向动荷载限值研究

为研究重载列车不同运行条件下的轨道-桥梁纵向动态传递规律,以多跨32m预应力混凝土简支梁桥为对象,建立考虑多车编组牵引及制动作用的重载列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,对轨道-桥梁的纵向动力响应特征、桥墩纵向受力影响因素和有效制动力率进行研究。结果表明:当机车以最大能力牵引时,作用于桥墩的有效牵引力率为0.134,紧急制动时,有效制动力率为0.155,紧急制动工况比牵引工况更不利;桥墩纵向受力随跨数的增加而增大并逐渐趋于稳定,随列车轴重的增加呈线性增大;不同列车编组模式下,列车的等效制动力率不同,最大值为0.141;桥墩纵向设计荷载限值应根据列车轴重进行选取,当轴重大于33t时,应进行动力检算。

无砟轨道结构层对高速铁路列车-桥梁系统动力响应的影响

基于非线性弹性Hertz接触理论和Kalker蠕滑理论,建立了高速铁路列车—无砟轨道—桥梁精细化计算模型,以高速铁路32 m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序分别计算有(无)无砟轨道列车—桥梁系统的动力响应及列车走行安全指标并作对比分析。计算结果表明:对于桥梁的动力响应,不考虑无砟轨道时结构变位等动力响应减小;对于列车的动力响应,不考虑无砟轨道时,多数列车动力响应及走行安全指标有较大增加。

双线束铁路集装箱中心站“列车-轨道”分配策略研究

为了满足铁路集装箱中心站日益增长的作业需求,部分中心站已建成或规划在建第二线束,多线束的建设会大幅提升中心站的作业能力,但相应的也可能会产生线束间的作业均衡和集装箱的场内转运问题。以最小化线束间轨道门吊的工作量差异和集装箱场内转运数量为目标,考虑轨道的时空容量、列车的进出站时间要求及装卸作业要求等约束以保证列车按时完成作业,建立双目标整数规划模型来研究双线束集装箱中心站内的“列车-轨道”分配问题。设计启发式规则生成初始可行解,并利用存档式多目标模拟退火算法处理双目标优化问题,以得到一组帕累托近似最优解。设计算例验证了算法的可行性和有效性,并研究了装卸线的数量和轨道门吊的配置对实验结果的影响。结果表明:本文提出的双线束铁路集装箱中心站“列车-轨道”分配策略能够有效均衡线束间的工作量并降低集装箱场内转运数,灵敏度分析结果能够为未来双线束集装箱中心站的规划建设提供借鉴。

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 。

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。

不同频谱特性地震动对高速铁路桥梁-轨道震后残余变形影响分析

以一座典型高速铁路五跨简支梁桥为例,建立了精细化高速铁路桥梁-轨道系统有限元模型。针对不同类型频谱特性选取了近场脉冲型、近场无脉冲型、远场长周期型和普通型地震动。输入不同频谱特性的地震动,对结构进行非线性时程响应分析,探究不同频谱特性地震动对轨道残余变形的影响规律及变形特点。结果表明:不同类型地震动对轨道残余变形的影响程度不同,轨道结构对近场脉冲型地震动的作用最为敏感;不同类型地震动作用下,轨道横向残余变形规律相似,均表现为全桥中间部分变形最大;每跨桥梁跨中竖向残余变形远大于桥墩(桥台)位置竖向残余变形;梁缝位置为轨道薄弱部分,轨距残余变形在每跨桥梁梁体连接处有明显尖刺状的突变。当PGA>0.2 g时,不同类型地震动作用下的轨道变形均随着PGA的增大而增大;当PGA=0.38 g时,桥梁已经进入塑性状态,地震动类型对于轨道残余变形的影响程度降低。

基于贝叶斯自优化Bi-LSTM组合网络的高速铁路轨道-桥梁系统震后响应预测方法

中国高速铁路(HSR)规划建设逐渐向地震易发地区延伸,亟需一种及时、准确的灾后地震响应快速预测方法,以实现高速铁路系统运输生命线安全的快速评估。本文提出了一种基于贝叶斯自优化双向长短期记忆(Bi-LSTM)网络的快速预测方法,以经过实验验证的高速铁路轨道-桥梁系统有限元模型地震动响应计算数据为样本,将预测地震响应和有限元计算结果进行比较,验证所提方法的精度和鲁棒性,表明该方法在预测高速铁路桥梁结构的非线性地震反应方面是有效的,且高速铁路轨道-桥梁系统的不同预测位置对预测精度的影响不明显;此外,为了降低神经网络训练数据量需求,提出了一种基于离散小波分解的分层聚类算法,结果表明,基于小波分解的分层聚类方法在保证预测精度的同时,有效地减少了训练地震集的输入数量。

基于Seed-PCG法的列车-轨道-地基土三维随机振动GPU并行计算方法

为了解决列车-轨道-地基土三维有限元模型随机多样本计算效率低的问题,本文提出了一种基于Seed-PCG法的高效并行计算方法。基于有限元法和虚拟激励法建立轨道不平顺激励下的三维列车-轨道-地基土耦合随机振动分析模型;针对车致地基土随机振动分析产生的多右端项线性方程组求解问题,采用Seed-PCG方法进行求解。通过PCG方法求解种子系统得到的Krylov子空间进行投影,以改进其余线性方程组的初始解和对应的初始残量,有效提高了PCG法的收敛速度,最后,在MATLABCUDA混合平台上开发了并行计算程序。数值算例表明:相同计算平台下的该方法相比多点同步算法获得了104.2倍的加速;相比PCG法逐个求解方案减少了18%的迭代次数,获得了1.21倍的加速。

有轨电车轨道-路基全装配式建造工艺研究

以嘉兴有轨电车工程为例,介绍了有轨电车路基-轨道全装配式结构的设计要点,总结了轨道-路基全装配式结构的建造工艺、质量控制要求及应用效果,可为有轨电车路基-轨道装配式结构的标准化设计、规范化建造提供有力技术支撑,且对其应用推广有借鉴意义。

长期列车荷载下无砟轨道-桥梁结构刚度退化试验研究

为研究长期列车荷载作用下高速铁路无砟轨道-桥梁结构刚度退化规律,制作了CRTSⅡ型无砟轨道-简支箱梁结构体系1∶4缩尺试验模型。通过开展1.8×107次多级变幅长期列车荷载试验,分析了无砟轨道-桥梁结构体系的挠度与刚度演化规律,研究了结构体系刚度退化情况并预测了其服役寿命。研究结果表明:多级变幅列车荷载长期作用下,无砟轨道-桥梁结构未出现肉眼可见裂缝,结构体系承载力满足设计和使用要求;列车荷载循环作用的次数和列车荷载幅的大小对结构体系力学性能影响非常显著;动力荷载作用下结构体系挠度具有显著的放大现象;结构体系静刚度变化总体上呈下降趋势,退化较为显著,动刚度在服役初期退化迅速,后期退化缓慢,刚度退化具有不可恢复性;试验后结构体系的静、动刚度累计损伤分别达到23.82%、19.25%,有效动刚度剩余61.5%,长期列车荷载作用下,我国现行无砟轨道-桥梁结构体系在设计使用年限内不会发生疲劳破坏,箱梁服役寿命预计可达420 a。

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。

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。