考虑相干路面不平度的车-路-桥耦合系统振动分析

在车-桥耦合振动系统中,路面不平度作为主要激励之一,直接影响着车辆、路面铺装及桥体的动力响应,而在已有的车-桥耦合振动分析中,还少有考虑路面铺装及路面不平度相干性(即左右轮非一致路面不平度)的研究.为获得更接近实际的车-桥耦合振动分析模型,建立了三维车-路-桥耦合(VPBI)系统有限元模型.路面铺装的黏弹性属性用Prony级数表征;路面不平度由逆傅里叶变换法构建,通过左右轮路面不平度相位差引入相干性,采用约束耦合法实现车辆、路面不平度和路面铺装的位移协调,得到三维VPBI系统有限元模型,并分析左右轮非一致路面不平度及其相干强度对车辆、路面铺装和桥体动力响应的影响情况.结果表明,在建立更接近实际的更精细化的三维VPBI计算模型时,须考虑相干路面不平度对系统动力响应的影响.

考虑冲刷效应的大跨桥梁地震-风-车-桥耦合振动分析

为研究冲刷效应对地震与风联合作用下大跨桥梁动力响应的影响,在已建立的地震-风-车-桥耦合振动分析模型基础上,利用p-y曲线(p为土阻力,y为变形)折减法考虑不同冲刷深度的桩土荷载-位移关系,根据桩土荷载-位移关系和冲刷深度更新桩基的侧向支撑刚度和长度,从而考虑了冲刷效应对大跨桥梁动力响应的影响,并将模型应用到江顺大桥冲刷效应的分析研究中.研究结果表明:基础冲刷减弱了地基土对结构的侧向约束,从而降低结构的自振频率,侧向振型的自振频率最大降低6.01%;在运营车辆和风荷载作用下,基础冲刷对结构的振动响应影响很小;在地震发生后,基础冲刷会增大结构的横向振动,结构的横向位移响应极值最大增大9.1%,横向位移响应谱也相应增大,而对结构的竖向振动影响很小;基础冲刷可能减小车辆横向加速度的响应,车辆的横向加速度响应极值最大降低7.7%,对车辆的竖向振动影响很小.

波浪作用下高速列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究

为研究波浪作用对高速铁路跨海桥梁车-轨-桥系统耦合振动的影响,基于线性波浪理论和Morison方程模拟波浪荷载,采用分布力模式输入既有车-轨-桥系统耦合振动分析程序,提出波浪作用下的车-轨-桥系统耦合振动分析方法。以某高速铁路跨海斜拉桥为背景,研究波坡面效应、波浪重现期、车速对车-轨-桥系统动力响应的影响,并评估不同重现期波浪作用下过桥列车的走行性。结果表明:波坡面效应会使作用于不同单桩的波浪荷载初始相位不同,从而导致作用于群桩基础的波浪荷载合力不同;随着波浪重现期的增大,车-轨-桥系统的横向动力响应均增大,而竖向动力响应几乎不变;考虑波浪作用后,列车的行车安全性指标均随车速的增大而增大,波浪荷载会显著降低桥上列车的乘坐舒适性并增加桥上列车的脱轨风险。常遇波浪(10年重现期)和极端波浪(100年重现期)作用下列车的安全车速阈值分别为325 km/h和275 km/h。

预应力效应对中速磁浮线路简支梁车-桥耦合振动响应的影响

以长沙磁浮线路简支梁桥为研究对象,建立考虑不同预应力效应的磁浮线路简支梁桥车-桥耦合振动模型,分析预应力效应对中速磁浮线路车-桥耦合振动响应的影响。结果表明:预应力效应的变化对桥梁动力响应影响明显,预应力增加显著加剧桥梁竖向振动加速度,预应力由0.67P0(P0为张拉控制应力)增加到1.33P0时,桥梁跨中竖向最大加速度从0.21 m/s^(2)增至0.44 m/s^(2);车速增加会加剧预应力效应的影响,对桥梁竖向振动加速度的影响尤为明显,车速由20 km/h增加到200 km/h时,在1.00P0作用下,桥梁跨中竖向最大加速度从0.15 m/s^(2)增至0.76 m/s^(2);箱壁局部变形对车-桥耦合竖向振动响应有显著影响,预应力导致的箱壁局部变形不可忽略。

桥梁刚度变化对高速铁路独塔斜拉桥车⁃桥耦合振动的影响分析

以高速铁路独塔斜拉桥为研究对象,建立车-轨-桥耦合系统的空间多体动力学分析模型,开展高速铁路斜拉桥的车-轨-桥耦合振动的仿真分析。通过改变材料弹性模量的方式调整桥塔和主梁刚度,研究桥梁刚度变化对桥梁车-桥-耦合振动的影响规律。研究结果表明,随着桥塔刚度的增大,主梁跨中竖向和塔顶纵向位移响应逐渐减小,其峰值减幅分别为7.57%和10%;随着主梁刚度的减小,主梁跨中竖向位移和塔顶纵向位移峰值呈逐渐递增趋势,主梁刚度变化对车体竖向加速度和Sperling竖向舒适度指标影响相对较大;相比于桥塔刚度的变化,主梁刚度变化对车-桥振动响应的影响更大;整体上,列车运行的安全性和平稳性指标满足规范要求。

基于ANSYS的简支梁车-桥-支座耦合动力响应分析

为准确模拟车辆过桥产生的振动,应考虑支座弹性作用的影响。结合分离法与汽车动力学原理,分别建立车辆、桥梁和支座的计算模型并通过位移协调关系和力的平衡关系进行车-桥-支座耦合。基于ANSYS中APDL语言,以30 m简支箱梁桥为算例研究桥面不平整度、支座刚度和阻尼对车-桥-支座耦合动力响应的影响。结果表明,桥面平整度越差,车辆行驶过程中对桥梁产生的冲击力越大,激发桥梁的动力响应越剧烈;适当增大支座刚度能有效降低桥梁动挠度,减弱振动响应;支座阻尼具有耗能作用,增大支座阻尼对削弱桥梁加速度响应有明显的效果;在设计桥梁支座时,应适当增大支座刚度和阻尼来削弱车-桥-支座耦合振动对桥梁的冲击作用。

车-简支梁桥耦合振动系统中全局最大动力响应研究

本文采用四分之一车辆模型和等截面简支梁模型,建立了车-桥耦合振动计算模型,分析了车辆匀速驶过桥梁时,桥梁动挠度、动弯矩、动剪力的全局最大值及发生的位置.进一步分析计算了车速、车距和桥梁模态截断阶数对桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值的影响.结果表明,车速对桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值影响较大,全局最大动挠度和全局最大动弯矩均出现在跨中附近,车速不同位置也不同,而全局最大动剪力均出现在车辆下桥的梁端;两车同时上桥时,前后车车距越大,桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值越小,当达到一定车距时,三者不再减小且与单车情况相同;为提高桥梁动挠度、动弯矩、动剪力全局最大值计算精度,桥梁模态截断阶数宜分别大于3阶、6阶、7阶.

高速铁路桥梁支座刚度对车-桥耦合系统的影响

作为高速铁路仿真的关键环节,对车一桥耦合系统的动态响应进行评估,依托支座刚度对系统指标的变化特性开展分析。研究结果显示:车辆系统中车体的垂向加速度与支座刚度相关性较高,而轮轨力、脱轨系数等安全性指标受支座刚度影响较小。桥梁系统中支座刚度与垂向位移相关性较大,桥梁中间区域的横向加速度与支座刚度呈负相关,而塔顶的横向振动量级与支座刚度呈正相关。柔性轮相比刚性轮对桥梁与车体的振动更为敏感,而与其他指标相关性较小。车一桥耦合系统精准确定了不同支座刚度下高速动车组各指标的变化特性,为后续产品的设计优化提供了参考。

车-轨-桥耦合振动相似试验模型设计与校验

为探究模型试验法在车-轨-桥耦合振动研究中的有效性,基于π定理准则和量纲分析方法,推导车-轨-桥耦合振动原型结构与模型结构之间的相似关系。以10︰1为几何相似比,计算原型与模型结构之间的相似常数,利用有限元方法校验原型与模型结构之间的相似关系。依照弹性力相似律,制作包含车辆-轨道-桥梁结构以及动力加载部分的缩尺模型试验系统,采用试验测试与数值仿真相结合的方法,校验了缩尺轨道箱梁结构的模态振型、模态频率以及模型车移动荷载作用下模型桥的加速度响应在时域与频域范围内的可靠性。研究结果表明:原型结构计算加速度响应值和模型结构计算加速度响应反演值曲线一致,校验了由π定理准则及量纲分析所推导的相似关系的准确性;试验测定轨道-箱梁结构模型振型与数值仿真计算所得振型基本一致,且模态频率误差较小,频率误差最大仅为5.97%。表明基于相似理论设计制作的轨道-箱梁结构缩尺模型能够较好地满足试验要求;试验测试与数值仿真计算的列车移动荷载作用下桥梁加速度响应在时域与频域内结果吻合良好,数值规律基本一致,模型桥动力性能误差在10%以内,表明缩尺模型试验系统能够较为精确地反应时域和频域范围内的车-轨-桥耦合振动特性。本文设计制作的车-轨-桥耦合振动缩尺模型试验系统可靠,可用于复杂工况下的车-轨-桥耦合振动分析。

车致振动响应递归量化分析在桥梁结构损伤识别中的应用

基于移动车辆引起的桥梁结构动力响应,采用递归量化分析的方法对结构进行损伤识别。用固定宽度的滑动窗将桥梁结构上任意两个位置的响应信号分成若干小段,并对每一小段信号进行递归量化分析,进而提取特征构造损伤指标。损伤向量随着滑动窗的移动得到每一个相对位置的损伤指标,最终实现结构的损伤识别。通过数值模拟验证上述方法,并讨论了单损伤工况和多损伤工况,分析了损伤位置、损伤程度、车辆速度、噪声水平等因素的影响。最后制作实验室模型对递归量化分析的结构损伤识别方法进行了试验验证。数值模拟和试验结果表明,基于递归量化分析的损伤识别方法可以有效识别移动车辆作用下的桥梁结构损伤。

考虑几何非线性的大跨度斜拉桥车-桥耦合系统地震响应分析

几何非线性对车-桥耦合系统地震响应的影响不容忽视。本文以一座超千米公铁两用斜拉桥为工程背景,基于全过程迭代法建立考虑几何非线性影响的地震作用下车-桥耦合动力分析模型,分析几何非线性、列车速度等因素对系统动力响应和行车安全性的影响。结果表明:设计地震作用下,按照德国低干扰谱考虑轨道不平顺时,考虑几何非线性因素后桥梁与车辆的动力响应均有一定程度的增大,若忽略该因素可能导致行车安全性评估结果偏不安全;随着车速的增大,桥梁竖向动力响应峰值呈逐渐增大的趋势。车速达到250 km/h时,列车的轮重减载率达到0.858,理论上超过安全阈值,列车容易处于不安全的状态。

人-桥耦合系统的动力分析

人行桥的人致振动的传统算法没有考虑人-桥耦合效应(Human-bridge coupling effect,HBCE)的影响.目前,已有学者将行人等效成弹簧-质量-阻尼(Spring-Mass-Damping,SMD)模型.在此基础上,本文将SMD模型加入到人行桥的运动方程中,推导了人-桥耦合系统的竖向振动方程,并用MATLAB编制了计算程序,对人-桥耦合系统的动力特性和竖向人致振动进行了初步分析.研究结果表明:(1)在考虑人-桥耦合效应后,系统频率会降低,而系统阻尼会增大,即人-桥耦合效应对人行桥的动力特性的影响显著;(2)当步频接近人行桥的频率时,不考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动会被过分地放大,而当步频远离人行桥的频率时,考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动则偏于保守;(3)人行桥越轻或行人越多,考虑和不考虑人-桥耦合效应的计算结果的差异越大.

铰接车与非铰接车车-桥耦合系统振动特性的对比分析

运用多体动力学软件UM软件直接建立和三维模型导入UM软件相结合的方式,分别建立了三节铰接车、非铰接车与简支箱梁桥的车-桥耦合系统动力学模型,对铰接车与非铰接车的车-桥耦合振动特性及铰接车有无纵向减振器时的车-桥耦合振动特性进行对比分析。结果表明,端部车的垂向振动强于中间车的垂向振动;铰接车中间车的舒适性一般好于非铰接车中间车;纵向减振器能有效抑制铰接车中间车车体的振动,对端部车体的振动抑制作用不太明显;车体间耦合作用的强弱对桥梁的垂向振动影响较小。

车-桥-墩耦合系统演变随机振动分析

将梁简化为两端简支的欧拉-伯努利梁模型,桥墩简化为底部固结的柱,考虑两自由度车辆移动系统与桥面结构表面接触处不平整产生的随机激励,建立了移动车辆系统-桥-墩的耦合力学分析模型。根据子结构方法和演变随机过程一般理论,并应用模态分析法对车-桥-墩耦合系统进行随机振动分析,推导得到了桥墩位移、桥墩轴力、梁竖向位移协方差函数和均方值响应的理论计算公式。通过数值算例,比较了跨中位移的确定性响应和跨中位移的均方根值响应,讨论了在不同桥墩高度、不同车辆移动速度、不同桥面等级下桥梁跨中竖向位移均方根、桥墩轴力均方根的变化规律。

考虑四肢桥塔遮风效应的常泰长江大桥风-车-桥耦合振动研究

常泰长江大桥主航道桥为跨径布置(142+490+1176+490+142)m的双塔双索面双层公铁两用斜拉桥,采用空间钻石型桥塔。为保证该桥因四肢桥塔遮风效应引起风速突变时的行车安全性和舒适性,通过风洞试验测得车-桥组合状态下列车及桥梁的气动力系数和四肢桥塔区桥面风环境,分析线路位置的影响,在此基础上采用ANSYS软件建立该桥有限元模型,采用Matlab编制风-车-桥耦合振动分析程序,研究桥塔遮风效应对风-车-桥耦合振动性能的影响,对比分析风速和车速对列车动力响应的影响。结果表明:四肢桥塔遮风效应会引起连续2次风速突变,风速突变率达86%;四肢桥塔遮风效应使列车车体竖向加速度最大值由0.22 m/s^(2)增加到0.76 m/s^(2),横向加速度最大值由0.20 m/s^(2)增加到0.62 m/s^(2);风速越高,桥塔引起的列车动力响应突变程度越明显;不同车速下桥塔遮风效应对列车动力响应的影响较为接近。

风-车-桥系统空间耦合振动研究

风-车-桥耦合振动系统中将自然风作为空间相关的平稳随机过程,车辆采用质点-弹簧-阻尼器模型,桥梁采用有限元模型。在分析风桥间的流固耦合作用、车桥间的接触耦合作用及风对车辆的空间脉动作用的基础上,将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,提出了一种较为完善的风-车-桥系统空间耦合振动分析模型。基于轮轨接触点处的几何协调条件和力学平衡关系,建立了系统运动方程的分离迭代求解算法。最后以京沪高速铁路南京大桥为工程背景,采用自行研发的桥梁结构分析软件BANSYS对比分析了风-车-桥系统振动特点。

基于改进迭代模型的车-桥耦合系统竖向随机振动研究

采用改进的车-桥耦合系统迭代计算模型,建立了基于虚拟激励法(PEM)的列车-轨道-桥梁竖向随机振动分析模型.采用虚拟激励法将轨道不平顺精确地转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,并运用分离迭代法求解车-桥耦合系统振动方程.以CRH2高速列车通过5跨简支梁桥为例,对改进的车-桥耦合系统迭代计算模型的计算精度和效率进行了验证.结果表明:在保持与传统模型相同计算精度的前提下,改进模型能使计算效率提高5倍左右.通过对列车-轨道-简支梁桥竖向随机振动响应中确定性激励引起的均值和轨道不平顺引起的均方根进行分析可知:桥梁竖向位移主要受列车自重控制,轨道不平顺引起的桥梁竖向位移影响很小;桥梁和车体竖向加速度受轨道不平顺影响显著,改善线路条件能有效提高列车的乘车舒适性;同时,车速越高,桥梁和车辆随机响应的均方根越大,由轨道不平顺引起的耦合系统振动响应的离散度越大.

基于动柔度法的车-线-桥垂向耦合振动分析

利用动柔度的思想建立高速铁路车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学频域模型。将车辆看作具有10自由度的多刚体系统,推导出车辆系统的动柔度;将钢轨看作无限长Timoshenko梁、轨道板简化为自由-自由的Euler梁、桥梁简化为简支Euler梁,扣件系统和CA砂浆层用线性弹性阻尼单元模拟,从而建立线-桥垂向动力相互作用系统,利用动柔度的思想求得线-桥垂向动力相互作用系统的动柔度;利用线性化Hertz接触理论,将车辆系统与线-桥垂向动力相互作用系统耦合成车-线-桥垂向耦合振动模型。分别求解单位简谐激励、轮轨几何粗糙度激励下的轨道系统和桥梁结构的动力学响应,最后结合虚拟激励法求解轨道谱激励下的轨道系统和桥梁结构的随机振动响应。研究结果表明:利用动柔度思想建立的频域车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,具有逻辑清晰、求解快速的特点,能够直接求解系统在频域的动力学响应。

基于车-桥系统耦合振动理论的大跨PC连续刚构桥冲击系数研究

在分析车-桥系统耦合振动研究资料的基础上,推导了基于自身假设条件下的车-桥系统耦合振动的运动方程组。利用VC++编制了可用于车-桥系统耦合振动分析的专业程序CQZD。以2座大桥为例,分析了桥梁基频对大跨PC连续刚构桥冲击系数的影响,并将算例中的冲击系数计算结果同按规范JTG D60—2004计算的结果进行了比较。结果表明:桥梁基频对冲击系数的影响比较显著,冲击系数随基频的降低而降低。

城市高架桥车-桥-墩系统竖向振动分析

假设城市高架桥为两端简支的欧拉-伯努利梁模型以及桥墩为底部固结的柱,考虑两自由度车辆移动系统与桥面结构表面接触处不平整产生的随机激励以,建立了多个移动车辆系统-桥-墩的耦合力学模型,并且给出了耦合振动方程详细的求解步骤。数值分析采用Wilson-θ法求解。通过仿真分析,讨论了在不同路面等级、不同车辆移动速度下桥梁跨中位移响应和桥墩轴力的变化规律。最后根据车-桥-墩耦合力学模型和车-桥耦合力学模型,比较了两种分析模型对桥墩底部轴力和桥梁跨中截面位移的影响。分析结果表明桥墩对桥梁跨中截面位移的影响可以忽略不计,但是对桥墩本身所受轴力的影响则非常显著。