津潍黄河桥静态线形平顺性及车-线-桥耦合动力学特性研究

为确保新建高速铁路大跨度桥梁建成投入运营后的安全性和舒适性,有必要提前开展大跨桥静动力学仿真研究。以主跨600 m的津潍铁路东营黄河公铁大桥为研究对象,基于车-线-桥动力相互作用原理构建了车-线-桥耦合系统动力学模型,分析了温度荷载、公铁路车辆荷载、混凝土收缩徐变作用下的大跨桥线形变化特点,从桥梁轨面线形曲率半径和车-线-桥系统动力响应两方面综合评估了大跨桥线路平顺性。研究结果表明:公铁路车辆荷载作用下桥面变形量最大达到596 mm,计算挠跨比为1/1006,满足规范中1/500设计挠跨比的要求;拉索降温15℃工况下桥梁轨面线形最小曲率半径为23784 m,满足规范中350 km/h车速下23630 m的理论最小竖曲线半径限值要求;单线或双线列车行驶通过对桥梁竖向动力性能的影响差异显著,对列车运行安全性影响差异较小,但会对行车舒适性有一定影响差异;随着列车运行速度从200 km/h提高至350 km/h,车-线-桥系统动力响应会显著增大,桥梁竖向位移、桥梁竖向加速度、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、垂向ISO 2631指标、UIC 513指标的增量尤为显著,但各指标均满足规范要求;温度荷载引起的附加变形会显著提高轮轨垂向力和轮重减载率指标,使列车运行安全性及舒适性有所降低,并会使桥梁动力响应有所提高,但各指标仍满足规范要求。

多种垂向轮轨关系的对比及改进的车-线-桥系统迭代模型的建立

对比分析非线性赫兹接触、线性赫兹接触、刚性接触这3种轮轨接触模型对车-线-桥垂向耦合系统动力分析结果的影响,并建立改进的车-线-桥耦合系统迭代计算模型。车辆模型采用多体系统动力学建立,轨道-桥梁模型采用有限元方法建立,根据不同的轮轨接触模型,建立相应的轮轨力计算公式,并采用分离迭代法计算耦合系统振动响应。在数值算例中,以高速列车通过5跨简支梁桥为计算背景,对不同轮轨接触模型的仿真计算结果进行对比分析。针对传统车-线-桥耦合系统迭代计算模型计算效率低的问题,建立改进的迭代计算模型。研究结果表明:线性赫兹接触模型与非线性赫兹接触模型得到的车体加速度、轮轨力、钢轨和桥梁的位移和加速度均较吻合,但前者的计算效率较低;忽略轮对惯性力的刚性接触模型无法得到准确的钢轨和桥梁加速度;改进模型通过建立包含轮轨接触弹簧的车辆模型来提高车辆子系统的迭代稳定性,其计算效率比传统模型提高近7倍;为保证计算结果的准确性,车-线-桥耦合振动计算中应考虑时间步内的迭代计算。

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。

基于代理模型的无砟轨道模拟方法及其在车-线-桥分析中的应用

为解决轨道结构有限元建模的复杂性和计算效率低等问题,针对桥上双块式无砟轨道结构,该文提出一种新型的无砟轨道简化方法:K-G离散点支承梁模型。利用自适应Kriging代理模型,建立了无砟轨道简化模型与精细化模型响应间的对应关系,采用遗传算法(GA)确定了简化模型的结构参数,并与精细化模型进行对比,验证了简化模型的准确性。最后,将该无砟轨道简化模拟方法应用于某大跨铁路拱桥,进行车-线-桥耦合分析,结果表明:K-G离散点支承梁模型的竖向位移响应计算结果与精细化有限元模型结果比较吻合,最大相对误差不超过5%,可以进一步应用于车-线-桥耦合振动分析。

车-线-桥耦合单元组合长度影响分析

基于车-线-桥耦合单元可以实现车-线-桥耦合有限元分析,提出了任意单元长度组合的轨道-桥梁耦合单元,并推导了其动力方程。引入Hertz接触模型考虑轮轨相互作用,推导了耦合系统的动力方程,给出了系统方程组装和求解思路,并编制了相应计算程序。结合我国现有铁路桥梁现状,考虑轨道随机不平顺,采用所提耦合单元进行车-线-桥耦合对比分析。结果表明,轨道单元长度对系统动力响应影响很大,甚至使计算不稳定;合理长度组合的耦合单元具有很好的计算精度和效率;而轨道单元长度的合适取值范围为0.5～1 m,且列车最小轴距间轨道单元数不应少于2个;另外,轨道不平顺会显著增大轮轨接触力及车体和桥梁加速度,同时能减小轨道和桥梁位移响应。

常泰长江大桥主桥风-车-线-桥耦合分析

常泰长江大桥为主跨1176 m的双塔双索面公铁两用双层斜拉桥。为研究侧风作用下该桥的动力响应以及桥上高速列车的行车安全性,采用WTTBDAS V2.0软件建立风-车-线-桥耦合分析模型,分析不同风速及车速下单、双线CRH2列车通过桥梁时车辆和桥梁的动力响应。结果表明:桥梁主跨跨中横向位移和横、竖向加速度随风速增大而增大,竖向位移受风速影响较小,车辆响应随风速增大而增大;桥梁主跨跨中横向位移和加速度响应在风速小于20 m/s时受车速影响不大,竖向位移和加速度随车速增大而增大;车辆的响应随车速的增大而增大,当风速达20 m/s后,车辆的动力性能主要由风速控制;单、双线行车时,桥梁的竖向动力响应差异较大,车辆的动力响应差异较小。根据风-车-线-桥耦合分析结果,结合现有的安全性和舒适性评价指标,提出大风天气下桥上行车的风速-车速阈值,当横向平均风速>30 m/s时,应封闭线路。

大跨度铁路悬索桥车-线-桥耦合振动分析

运用车辆-线路-桥梁耦合振动理论,建立相对完善的车辆-线路-桥梁耦合动力学模型。以某座主跨为1120m的悬索桥方案为工程背景,对该方案在ICE3列车以速度160～300km/h作用下桥梁、轨道和车辆的动力性能进行分析,并对主缆和吊索在不同索力下桥梁和车辆的动力响应进行对比研究。

考虑桩土相互作用的车-线-桥耦合振动分析研究

运用车辆-轨道-桥梁振动理论，比较全面地建立了在车一线一桥耦合动力分析模型。针对某双线客运专线一座60＋2×100＋60m连续梁为研究背景，采用“桩基-土弹簧”方法考虑了桩土相互作用。对该桥梁在德国ICE3动车组以速度200～300km／h作用下进行了车辆、轨道和桥梁动力响应分析，最后初步分析了土层m值对车线桥系统动力响应的影响规律。

基于子区间的车-线-桥振动不平顺影响分析

提出了任意子波长区间的轨道不平顺生成方法,讨论了相应时域样本的特性。建立了耦合系统振动方程,对比分析了大波长区间及其子区间不平顺的影响,研究了系统响应的敏感波长。结果表明：轨道不平顺样本的功率谱和解析值一致,不平顺生成方法是合理有效的;轨道不平顺对桥梁位移影响很小,桥梁加速度的敏感波长区间为1～5 m;0.05～1 m的短波不平顺是轨道加速度的主要激励源,而对车体加速度影响很小。线路养护和维修中应加强对5 m以下波长不平顺的控制;而为提高乘车舒适性,有必要对各种波长不平顺进行控制。

基于车-线-桥耦合系统的跨断层高铁简支梁桥地震下行车安全及抗震优化研究

由于地震时断层地表破裂和近断层脉冲的强破坏能力,跨越活动断层桥梁更易遭受严重损伤甚至倒塌。以跨越某走滑型活动断层的八跨高铁简支梁桥为对象,基于ABAQUS有限元平台建立了高速列车-CRTS III型板式无砟轨道-桥梁的精细化耦合系统动力学模型,并对其合理性进行了讨论。模拟断层区水平向地震动,开展了三向地震下车-线-桥耦合系统的瞬态动力分析。基于列车横向轮轨力、脱轨系数、轮重减载率等轮轨动力指标,以及钢轨错位、平行转角、折转角等钢轨变形指标,探讨了多遇、设计、罕遇地震水平下高铁列车安全行车的速度限值,并从钢轨扣件刚度和轨道隔离层摩擦因数角度讨论了轨道结构的参数优化。研究结果表明,从列车轮轨响应角度,多遇和设计地震下,列车安全行车的速度限值分别约为200 km/h和80 km/h,罕遇地震下则无法保障安全行车;从钢轨变形角度,多遇、设计和罕遇地震下,分别可满足列车以250 km/h、100 km/h和50 km/h速度行车的变形要求。从列车轮轨响应角度得出的速度限值更小,这是由于考虑了线路不平顺条件下车-线-桥系统的复杂耦合效应。列车行车安全性随扣件刚度和隔离层摩擦因数的提高有所提升,当扣件横向刚度为60 kN/mm,隔离层摩擦因数分别调整为0.9和0.8时,多遇和设计地震下的行车速度限值可分别提高到250 km/h和100 km/h。

铁路车-线-桥大系统耦合动力仿真计算方法探讨

利用UM多体动力学软件建立高速动车组车辆模型,导入由有限元软件分析得出的无砟轨道-桥梁结构模态信息,采用模态叠加法进行车-线-桥大系统耦合动力仿真分析。结果表明:相对于传统车辆子系统多刚体仿真而言,采用模态叠加法的大系统刚柔耦合动力分析由于能够充分考虑各子系统的参振质量以及相互之间的振动影响,计算得出的车辆动力响应数值更加准确;相对于有限元结构动力分析方法而言,采用模态叠加法的计算相对误差可控制在10%以内,能够满足工程应用的要求,且计算效率得到了大幅度的提高。

基于风-车-桥(线)耦合振动的风屏障防风效果研究

为考察风屏障的防风效果,通过风洞试验测试平地路基、高路堤、桥梁三种典型线路上设置不同风屏障情况下车辆的气动力系数,采用风-车-桥(线)耦合振动的分析方法研究车辆的动态响应,讨论风屏障高度、车辆线路位置及线路构造形式等因素的影响。结果表明,风屏障可有效地降低强风作用下车辆的响应,平地路基上设置2.05m风屏障时,车辆运行的瞬时临界风速可达50m/s;车辆的轮重减载率、倾覆系数及竖向加速度对车辆线路位置较为敏感;线路构造形式对背风侧车辆响应影响较大,风屏障高度相同时,高路堤上的防风效果较好。

基于小波有限元的车辆-轨道-桥梁系统竖向振动分析

基于小波有限元建立了车辆-轨道-桥梁系统竖向运动方程。将车辆、轨道和桥梁作为一个整体系统,钢轨和桥梁采用区间B样条小波单元离散,钢轨与桥梁之间的钢轨基础采用均布的弹簧和阻尼模拟,采用虚功原理建立了基于小波有限元的四轴车辆-轨道-桥梁竖向振动分析模型。结果表明,采用区间B样条小波单元可较大程度上减小系统的自由度数,缩减计算量,节省计算时间。

考虑徐变影响的车—线—桥耦合有限元分析

采用Hertz弹性接触模型,推导考虑轨道不平顺的移动车轮—轨道—桥梁耦合单元动力方程,结合车辆动力方程建立车—线—桥耦合系统运动方程,采用自动半步长方法以精确确定轮轨接触状态发生改变的时刻,使用Newmark-β方法直接积分求解。将预应力混凝土简支箱梁桥徐变变形引入轨道不平顺(徐变不平顺),研究其对车—线—桥耦合系统动力响应的影响。结果表明,轨道对徐变变形产生的折角具有明显的缓和作用,能显著降低轮轨接触力和轨道加速度响应;徐变不平顺会引起明显的梁端冲击,显著增加系统的动力响应;采取延长半年铺轨的措施能达到较好的动力控制效果,且对车体加速度的控制效果最明显,响应降低约42%;多跨简支梁桥的周期性徐变不平顺能激起车体更强烈的固有频率振动,同时也表现出波长为梁长一半的受迫振动;不考虑徐变不平顺时相应的敏感波长等于梁长。

高速铁路车——线——桥系统动力分析模型研究

本文就高速铁路车－线－桥系统动力分析建模中存在的问题进行了探讨，建立了车－线－桥系统三维动力学分析模型，编制了相应的动力计算专用程序，为高速铁路车－线－桥系统动力分析提供前期准备。

高速铁路大跨度连续斜拉桥上梁端一体化装置性能研究

目前大跨度斜拉桥上铺设无缝线路,梁端处需设置梁端伸缩装置和钢轨伸缩调节器以降低钢轨产生较大的附加应力,但此结构无法协调较大的梁轨相对位移,应用范围有限。为此,提出了一种梁端一体化装置结构,能适用于较大的梁缝伸缩情况且伸缩阻力较小,经过现场应用效果良好。针对时速350 km下高速列车能够平稳通过大跨度斜拉桥无缝线路梁端的要求,建立了相关三维梁端车-线-桥耦合模型,确定了轮轨接触关系,验证该结构在大跨度斜拉桥下对于高速列车平稳运行的适用性。结果表明:温度和梁端转角作用下钢轨会产生一定变形,钢轨垂向变形大于横向变形,最大垂向位移达到15.71 mm。对比仅施加德国低干扰不平顺谱,叠加温度或梁端转角变形后行车过程中的梁端一体化装置动力响应增大,且对钢枕振动垂向加速度的影响较为明显,从38.92 m·s^(-2)上升至48.69 m·s^(-2),增加25.1%。相比之下,极限拉伸状态比极限压缩状态下行车过程中的梁端一体化装置结构响应大,钢枕垂向加速度从40.64 m·s^(-2)上升至62.39 m·s^(-2),增加53.5%,应在高温拉伸状态下对梁端一体化装置性能进行定期检测。梁端一体化装置在以上工况下的响应均满足标准规范要求,本研究可为其在列车高速运行通过大跨度斜拉桥梁端时的铺设提供参考。

梁—板混合单元分析桥梁车致振动与噪声

在平截面的假定条件下,通过建立梁—板混合单元有限元模型,采用车—线—桥耦合振动分析得到桥梁高频振动响应,再采用声学边界元法分析桥梁结构噪声。以32 m混凝土简支箱梁为例,讨论了不同的梁—板混合模型对计算精度和效率的影响,并与现场试验结果进行对比。由此验证了:在梁—板混合有限元模型中,跨中板单元区域的长度取5倍以上梁高时,桥梁高频振动和结构噪声仿真值均能取得良好的精度,计算效率可提高70%左右。桥梁振动和结构噪声的峰值频率范围为40 Hz^80 Hz,在梁侧传播时具有一定的指向性。采用梁—板混合单元模型计算得到30 m范围内的结构噪声与全板单元模型计算结果基本一致,但在30 m范围外,前者的计算值要比后者小2 d B(Lin)左右。因而,梁—板混合单元模型可有助于提高桥梁车致振动和噪声分析的效率。

城市轨道交通高架桥曲率对半封闭式声屏障车致振动影响研究

以某城市轨道交通高架线为工程背景,实测列车在直线段和曲线段行驶时半封闭式声屏障的加速度响应,并对实测数据进行了时程和频谱分析。基于车-线-桥耦合振动理论,建立车-曲线桥-声屏障结构振动分析模型,对声屏障的振动进行仿真分析,并与实测数据对比以验证模型的准确性。基于数值模型分析了高架桥曲率对声屏障车致振动的影响规律,结果表明,城市轨道交通高架线曲线段半封闭式声屏障的车致振动响应大于直线段,以横向振动为主,优势频段为70~140 Hz,横向振动位移峰值与曲率呈线性正相关。研究得到了拟合公式,可近似计算不同曲率高架桥上半封闭式声屏障的振动响应。

高速铁路300 m以上跨度桥梁线形评价标准研究

目前,既有研究对高速铁路大跨度桥梁结构的线形分析较少,且多选用跨中变形拟合竖曲线的方式进行平顺性评价。以百合郁江特大桥为例,结合现有研究成果和规范要求,采用数值计算,针对高速铁路300 m以上跨度桥梁线形超限问题开展研究。研究结论如下:(1)线形分析时应充分考虑各种荷载出现的概率,单项工况宜进行合理组合以真实模拟实际情况;(2)60 m弦测法、竖曲线半径评价法、舒适度评价法能够较好的对桥梁线形进行评价分析,百合郁江特大桥跨中位置均满足各项评价标准,平顺性较更佳;(3)极端静态工况作用时,双线列车同时经过跨中会造成墩台位置评价指标超限,应加强桥梁结构细部设计并在运营期加强墩台处变形监控;(4)桥梁发生最大竖向变形时,列车动力学响应较好,各项指标均满足行车需求。

线路纵断面设置对千米级高铁悬索桥动力学行为的影响

以高速铁路悬索桥五峰山长江大桥为背景,运用多体动力学方法和有限单元法,建立车-线-桥动力相互作用模型,研究线路纵断面设置对千米级高铁悬索桥动力学行为的影响。结果表明:桥上纵断面坡段变化对行车安全性指标基本无影响,纵断面变坡点数量增加对车体垂向加速度有一定影响,但对运行舒适性影响不明显,大跨度桥上坡段长度可调整到200 m及以上;车-桥动力相互作用引起的悬索桥动态刚度不平顺易造成车体加速度呈现周期性振动,在进出竖曲线位置易与离心力引起的振动产生车体振动叠加效应;线路竖曲线半径从30000 m减小到25000和20000 m时,对应的车体加速度分别提高0.00341g和0.00827g,对应的轮重减载率分别增加0.00359和0.00898。