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。

考虑轮轨非线性接触的车辆-轨道-桥梁垂向耦合系统随机振动分析

基于列车-轨道-桥梁耦合动力学理论,考虑轮轨接触非线性,采用广义概率密度演化理论建立了列车-轨道-桥梁垂向耦合系统非线性随机振动方程。采用数论选点法结合谱表示-随机函数法生成轨道随机不平顺样本,实现了用两个随机变量和少量样本较精确地反映轨道不平顺功率谱的随机特性。以高速列车-简支梁桥上CRTSⅠ型板式无砟轨道为例,从概率及可靠度角度,考虑非线性轮轨关系中跳轨现象以及轨道随机平顺影响,对比分析了线性与非线性轮轨对车辆运行安全性的影响;计算了不同轨道谱、车辆运行速度下轮重减载率概率密度演化规律及其对车辆运行安全性影响。结果表明,建议的方法可通过较少的随机变量和样本计算得到车辆-轨道-桥梁耦合系统非线性随机动力响应及其概率分布,可为车辆运行安全性评价提供更好的指导。

扣件刚度对车辆-轨道-桥梁耦合系统频率响应的影响

为了研究扣件刚度变化对车辆-轨道-桥梁耦合系统频率响应的影响,基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学理论,运用动柔度法建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合振动频域分析模型,分析扣件刚度变化对车体、转向架、轮对、钢轨和桥梁振动响应的影响。计算结果表明:扣件刚度的变化对车体、转向架的振动影响较小,对轮对、钢轨和桥梁的振动影响较大。随着扣件刚度的增大,车辆-轨道-桥梁耦合系统在频域小于20Hz范围内的低频振动响应基本不变,20～63Hz之间的振动响应略微减小,63 Hz以上的振动响应则增大。轮对、钢轨和桥梁的振动加速度都显著增大,振动频率也向高频方向发生偏移。而且桥梁振动峰值频率是由轮轨耦合共振频率决定的。

车辆-桥梁耦合系统垂向振动的随机分析

研究车桥耦合系统在轨道高低不平顺激励下的垂向平稳随机振动。车辆采用二系悬挂6个自由度的4轴客车空间模型,桥梁采用空间梁单元模型,轨道不平顺假设为多点异相位平稳随机激励。采用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列的简谐荷载形式。运用分离迭代法求解车桥耦合系统振动方程。分别采用虚拟激励法和Monte Carlo法对单跨33.3m简支梁进行随机振动分析,验证了方法的正确性。最后,以1列火车通过单跨33.3m简支梁为例,研究了车桥时变耦合系统的垂向随机动力特性。

基于多目标优化的高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型修正研究

为了提高高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统仿真结果的准确性,提出1种基于多目标优化的模型修正方法。以高速铁路桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道为模型修正对象,建立高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型,基于现场实测的轴箱加速度和仿真结果验证模型的可靠性。建立多目标模型修正函数,采用拉丁超立方法对模型参数进行灵敏度分析,获得待修正参数。基于多岛遗传算法,对多目标模型修正函数进行全局寻优,完成模型的修正。结果表明:修正后的仿真模型既能准确地反映轴箱加速度的时域分布特征,又能准确地模拟轨道及桥梁结构的动态响应,因而基于多目标优化的高速铁路车辆-轨道-桥梁空间耦合系统模型修正是有效和可行的。

地震作用下列车-桥梁空间耦合系统动力响应分析

为了探究地震对高速列车和桥梁的影响,建立车辆-桥梁空间耦合系统模型。将规格化的地震波作为激励,同时考虑轨道随机不平顺的影响。采用新型显式积分法求解系统方程。分析不同烈度地震作用下车桥耦合系统的动力响应。数值结果表明,地震烈度在桥梁的抗震设防烈度范围内时,桥梁的振动加速度和挠度响应均符合规范的限值要求。车辆运行平稳性的Sperling指标相对加速度指标较为宽松,当地震烈度为7度及以上时,车辆已不能平稳地运行于桥梁之上。在相对较弱的地震作用下,轨道随机不平顺对桥梁的垂向加速度响应影响明显,不应忽略。

车辆-轨道-桥梁空间耦合振动引起的环境振动

首先建立了车辆-无碴轨道-桥梁系统空间耦合振动模型,通过随机振动分析得到桥墩墩底反力,然后建立了土体-建筑物的三维有限元模型,并将以上得到的墩底反力作为土体-建筑物三维有限元模型的外部激励。分析结果表明,周围土体振动强度随距离的增加而减小,且都存在反弹区;周围建筑物的振动强度随桥墩距离的增大而减小,且在建筑物低层横向和竖向振动相差不大,但是到了高层处横向振动明显大于竖向振动。

复合轨道不平顺对车辆—轨道—桥梁耦合系统的影响

轨道不平顺是引起车辆、轨道及桥梁结构产生振动的主要激励源.建立了车辆-轨道-桥梁耦合系统模型,采用新型显式积分法对系统方程进行求解,研究了复合轨道不平顺对系统动力学性能的影响.结果表明复合轨道不平顺的情况相比单一轨道不平顺对车辆运行安全性、平稳性及桥梁运营安全性的影响有的增大了有的却减小了.由此可得,复合轨道不平顺对系统的影响不是单一轨道不平顺影响的简单叠加或相减,需深入研究激励的类型和作用情况.

基于遗传算法的高速铁路桥梁损伤识别

针对高速铁路桥梁结构服役局部损伤问题,文章提出一种改进损伤识别因子并结合遗传算法的损伤识别方法。推导了任意单元长度组合的车辆-轨道-桥梁耦合单元及其动力方程,遗传算法采用锦标赛策略及最优保存策略2种选择算子,引入灾变及邻域搜索机制。通过对不同损伤工况进行多次独立重复计算,对算法的稳定性与准确性进行统计分析。结果表明:在信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)大于25 dB时,识别效果好,极少数误判的结果大概率存在于真实损伤位置的附近或对称处;与单个单元损伤情况相比,多个单元损伤工况平均第一次出现最优解的迭代次数略高,但整体都偏低;SNR与识别率(identification rate,IR)呈“扁S”型Logistic曲线关系。

考虑制动条件的高速列车—轨道—桥梁系统动力响应分析

以CRH2型动车组制动通过铺设无缝线路的10跨简支梁桥为例,运用刚体动力学建立车辆模型,以空间梁单元模拟轨道和桥梁结构,非线性弹簧模拟线路纵向阻力,根据高速列车制动的特点确定列车制动力、轮轨密贴假定求解轮轨力,通过系统间全过程迭代求解系统方程,进行高速列车制动时车辆—轨道—桥梁系统动力响应分析。结果表明,在列车停车瞬间由于制动力的突然消失,车辆、轨道和桥梁结构的纵向均会出现最大振动;桥梁中间墩墩底截面的最大弯矩约为1 800kN.m,小于按我国桥涵设计规范中列车制动附加力静力计算方法得到的最大弯矩4 000kN.m,说明按规范中的静力计算方法计算的高速列车制动力有一定的冗余度。

基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析

轨道随机不平顺作为引起车辆-轨道-桥梁耦合系统振动的最重要的激励源,对列车过桥平稳性有着至关重要的影响.建立车辆-轨道-桥梁耦合垂向振动模型,采用虚拟激励法,计算随机不平顺激励下车辆运行的平稳性以及轨道和桥梁结构的振动特性,避免了繁复的时频转换和复杂的数值积分.数值分析了不同速度下列车过桥的平稳性和列车对不平顺波长的敏感范围.经过分析得到,列车运行速度越大,过桥平稳性指标越大,即舒适性越差;而且影响列车平稳性的不平顺波长越长,其影响范围越大.

公路桥梁车辆振动理论分析

公路桥梁车辆振动的理论经过了长期的发展进程,文章通过对该理论从古典理论向现代理论的分析,探讨了有关桥梁-车辆系统的特性。

车辆作用下的公路简支梁桥测试频率

应用达朗伯(D'Alembert)原理和欧拉-柏努利梁(Euler-Bernoulli)假设,建立了多个车辆-桥梁系统相互作用的理论模型。利用模态分析方法,使车辆-桥梁系统方程解耦,基于广义坐标的自由振动理论,对用广义坐标矩阵形式表示的解耦后的运动方程用固有振动理论求解,从而得出多个车辆作用下的桥梁有载频率。对于中小跨径的公路桥梁,往往采用单个车辆激振桥梁,激振后停于桥上,因此推导出了单个车辆作用下的桥梁有载频率解析表达式。讨论了车辆的位置、弹簧刚度、簧上质量、簧下质量和桥梁有载频率与桥梁固有频率差值之间的关系。

车桥系统的耦合振动

通过用正弦波形模拟桥面的不平和考虑移动车辆-桥梁间的相互作用,在Euler＿Bernoulli梁理论的基础上建立了一种车桥系统的耦合振动模型· 利用模态分析法和Runge＿Kutta法对模型进行数值求解,获得了车桥系统耦合振动的动态响应和共振曲线· 发现车桥耦合振动的共振曲线中存在两个共振区域,一个反映主共振而另一个反映次共振· 讨论了桥面不平、桥梁振型和车辆间的相互作用对系统振动的影响· 数值结果表明,这些参数对系统振动的影响很大,桥面不平和振型对车桥系统耦合振动的影响不能忽略。

车辆-桥梁垂向时变耦合系统随机分析

研究了车桥耦合系统在轨道高低不平顺激励下的垂向平稳随机振动。车辆采用二系悬挂6个自由度的四轴客车空间模型,桥梁采用空间梁单元模型,轨道不平顺假设为多点异相位平稳随机激励。采用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列的简谐荷载形式。运用分离迭代法求解车桥耦合系统振动方程。分别采用虚拟激励法和Monte Carlo法对单跨33.3 m简支梁进行随机振动分析,验证了文中方法的正确性。最后以一列火车通过单跨33.3 m简支梁为例,研究了车桥时变耦合系统的垂向随机动力特性。

基于频域和时域振动模型的轨道交通桥梁噪声预测对比分析

分别采用基于模态叠加法的时域车辆-轨道-桥梁耦合振动模型和基于移动粗糙度激励的频域耦合振动模型对某U型梁桥的动力响应进行仿真分析,对两种数值方法计算获得的轮轨力和桥梁振动加速度进行对比。然后分别结合2.5维声学边界元和三维声学边界元对两种振动模型的辐射噪声进行预测,并对比了两种模型获得的桥梁噪声频谱和空间分布规律。研究表明,两种模型获得的轮轨力基本相同,且峰值频率一致;考虑多车轮激励效应的频域振动模型和时域模型获得的桥梁振动加速度频谱较为吻合;基于两种振动模型预测的桥梁噪声频谱和声压空间分布吻合较好。

我国高架交通系统环境振动研究概况

对目前国内该领域的研究手段、研究方法及研究成果进行了分析,指出了该领域的发展所需解决的问题,并给出了需要进一步深入探讨的几个研究课题。

车轨桥振动系统垂向模型和空间模型的比较

分别建立了车辆-轨道-桥梁系统的垂向耦合振动模型和空间耦合振动模型，并通过功率普密度得到轨道高低不平顺的时域模拟样本，以其作为激励，分析两种模型下车辆-轨道-桥梁耦合振动系统的振动响应。通过对比相同轨道高低不平顺激励下垂向振动模型和空间振动模型的垂向振动响应计算结果，分析了两种模型的优缺点和适用性。

冰击荷载作用下高速车辆-轨道-桥梁系统耦合振动分析

为了探明流冰撞击桥墩对高速车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学行为的影响,采用精细化有限元模型模拟了流冰撞击桥墩的过程,计算获得了不同冰排特性下流冰撞击力时程曲线,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,以流冰荷载作为外激励,建立了高速车辆-轨道-桥梁-冰击动力学分析模型。以5跨32m简支梁为例,通过研究不同冰击荷载作用下桥梁结构的动力学响应,得到了对桥梁结构影响最大的冰击荷载,分析了在该冰击荷载作用下桥梁子系统和车辆子系统的动力学响应,最后探讨了冰击荷载对桥上列车走行性的影响。结果表明:在冰击荷载作用下,冰排厚度、流冰撞击速度和冰排抗压强度是影响桥梁动力学响应的关键参数,桥梁跨中和墩顶横向位移与加速度随冰排厚度和抗压强度的增加而增大,且随流冰撞击速度的增加呈先增大后减小趋势;流冰撞击桥墩对车辆-轨道-桥梁系统动力学响应影响显著,在冰击荷载作用下主梁横向位移和加速度增幅较大,跨中横向加速度主频与桥梁横向自振频率接近,表明流冰撞击可能会加剧桥梁横向自振频率附近的振动;车体横向振动加速度、脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率在流冰撞击作用下均明显增大,增幅超过2倍,可见流冰撞击对高速列车行车安全性和乘坐舒适性有较大影响。

中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统动力性能试验

为探究中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的振动特性,对其在上海临港中低速磁浮试验基地开展了现场动力学试验,研究了车速和桥梁结构形式对耦合系统动力响应的影响;试验车辆采用(悬挂)中置式悬浮架,试验桥梁为25 m混凝土简支梁和25 m钢结构简支梁;为明确2种桥梁的固有振动特性,对其进行了模态测试;提取了不同工况下车辆-桥梁耦合系统的加速度及桥梁的垂向动位移信号;计算了垂向和横向Sperling指标、动力系数、梁端转角等车辆-桥梁耦合系统关键动力指标,详细分析了耦合系统的动态响应特性,评估了系统的振动水平。研究结果表明:混凝土梁和钢梁的垂向一阶固有频率分别为7.32、7.72 Hz,2种桥梁的各项关键动力指标均满足相关标准要求;混凝土梁和钢梁的最大加速度分别不超过0.2、1.4 m·s^(-2);当车速为5 km·h^(-1)时,钢梁的垂向动力响应幅值约为混凝土梁的7.6倍;在测试的速度范围内,车辆的横向Sperling指标均小于2.5,表明车辆在混凝土梁和钢梁上运行时均具有优秀的横向平稳性;车辆空气弹簧悬挂系统的垂向固有频率峰值在车速为25 km·h^(-1)时达到最大,通过混凝土梁和钢梁的垂向Sperling指标分别达到2.687、3.340。测试结果可为中低速磁浮车辆-桥梁耦合系统的优化设计和数值模型验证等提供有价值的参考。