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。

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。

多线地铁列车-高架桥耦合系统动力分析

为了对多线地铁高架桥的车桥耦合作用进行分析,基于ANSYS的参数设计语言(parametric design language,简称APDL)建立了能够考虑列车单双线行驶的地铁列车-桥耦合动力分析模型。以一座三跨四线地铁高架连续梁桥为研究对象,采用四动二拖6辆编组B型地铁列车模型,分析了地铁列车分别沿不同单双线运行时桥梁结构的动力响应。结果表明:地铁列车对桥梁的横向位移和加速度影响较小;双线对向运行时桥梁竖向位移和加速度响应峰值大于沿单线运行的情况;双线对向运行时桥梁关键截面内力响应峰值约为沿单线运行时内力代数叠加的67%~99%。所提出的数值模型和计算结果可以为多线地铁高架桥车桥耦合振动研究提供理论方法和评估依据。

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。

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.

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。

基于智能驾驶电动汽车的多车-桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力,电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视.轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈,与桥梁路面动力学相互作用更加突出,现有研究主要针对传统汽车,关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车-桥梁耦合作用研究尚不多见.本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象,考虑车轮和桥面多点接触关系,研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性.分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响,以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响.研究表明:车距和车速是影响车-桥系统振动特性的重要因素,在车-桥耦合动态设计中,车距和车速的影响应重点关注;桥面越平坦,电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著,当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视.所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.

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。

车-桥耦合系统的动力特性分析

利用振型叠加法以及时变力学系统的求解方法,以简支梁桥为对象,开展了车-桥耦合系统的振动特性分析。通过数值计算,比较了移动力、移动质量、移动振动系统三类模型的计算结果,讨论了跨径和移动速度变化时对挠度冲击系数和弯矩冲击系数的影响。并根据Piotr给出的结果对本方法进行了验证。

车-钢桥面铺装耦合振动系统动力效应分析

为研究行车车速、桥面的不平度和桥面损伤对车-桥面铺装耦合振动系统动力效应的影响规律,将汽车等效为两自由度五参数模型,将正交异性桥面铺装等效为梁-板结构。在车辆与桥面铺装接触点采用接触力和位移协调的条件,建立车辆和桥面铺装动力耦合系统模型和振动方程组。利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法-状态空间法,借助大型有限元软件ANSYS和MATLAB编程技术,求解车-钢桥面铺装耦合振动系统的动力响应。分析由桥面铺装的不平度、车速以及桥面损伤等引起的行驶车辆的随机动荷载对桥面铺装冲击系数的影响,并考虑桥面的不平整将车辆荷载简化成沿铺装层表面的随机动荷载和车辆荷载简化成沿铺装层表面纵向移动的恒载两种加载方式的分析结果进行比较。研究结果表明,在进行铺装层结构设计计算以及复合梁疲劳试验时,可考虑冲击系数为1.5。

基于接触非线性的车-路耦合系统动力响应分析

采用四分之一车辆模型和三维线弹性沥青路面模型,借助ANSYS有限元分析软件,将车、路有限元模型通过接触单元联系在一起,进行了接触非线性瞬态求解。分析了车辆匀速行驶过一段路面时车-路耦合系统的动力响应特点。通过修改系统参数,计算分析了行车速度、路面平整度、基层模量、轮胎刚度、轮胎阻尼、悬架刚度、悬架阻尼等七个参数对车-路耦合系统动力响应的影响。最后分析了车-路耦合系统的共振问题。结果表明:在文章给定的路面结构组合下,最大纵向拉应力和最大横向拉应力均出现在基层和底基层结合处,容易导致疲劳破坏的产生;沥青面层层底剪应力是导致其破坏的主要原因;控制协调好车-路耦合系统中的各个参数,对提高路面寿命和行车舒适性有重要意义;车-路耦合系统的共振问题不容忽视。

揭惠铁路72 m+72 m槽箱组合梁桥车-线-桥耦合振动研究

为研究温度荷载引起的附加变形对桥上列车行车走行性的影响,基于车-线-桥耦合振动分析方法,分析了在温度荷载作用下72 m+72 m槽箱组合连续梁桥和桥上列车的动力响应,探明了结构在成桥运营阶段的变形对桥上轨道平顺性及列车安全性、舒适性的影响规律。结果表明:考虑温度荷载作用时,主梁竖向动力响应略有增大,其中主梁的跨中竖向位移受温度荷载作用影响较大;桥上列车的动力响应随着车速的增加而增大,考虑温度荷载作用时会放大车速对列车动力响应的影响;相较于CRH6F型动车组,C70货车运行时,桥梁的动力响应随着车速的变化不明显,尤其是桥梁的位移,但车辆动力响应对车速较为敏感。

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。

不同车型对车-桥耦合系统动力特性的影响分析

基于多体系统动力学软件,分别建立A型和B型两种高速列车头车与简支箱梁桥的车-桥耦合系统动力学模型和两种车型三辆编组列车桥梁耦合系统动力学模型.在车速为200 km/h、220 km/h和250 km/h三种工况下,对比分析轮重减载率、脱轨系数、车体振动加速度、Sperling指数以及桥梁跨中垂向动位移、振动加速度等响应参数,研究了非铰接列车和铰接列车对车-桥耦合系统动力特性的影响.研究表明,在头车高速经过桥梁时,车速的增加加剧了车辆、桥梁的振动响应,车重较大的B型车引起桥梁的振动较为剧烈;三辆编组列车经过桥梁时,B型列车(铰接列车)由于车辆之间存在较强的耦合作用并设置有众多纵向减振器的原因,引起的列车和桥梁的振动响应反而小于A型列车(非铰接列车).

水介质对高速铁路车-桥耦合系统动力响应的影响研究

在列车运行过程中,水介质条件下导致的轮轨低黏着会直接影响列车的牵引、制动和曲线通过能力,尤其是高速列车,同时对桥梁动力响应产生影响。为保证高速动车组的安全运行,有必要就高速轮轨黏着对车-桥动力响应的影响展开详细的研究。以高速铁路动车组和混凝土简支箱梁桥为研究对象,基于ANSYS软件建立的桥梁结构有限元模型和SIMPACK软件建立的车辆模型及轮轨模型,通过车辆和桥梁子系统之间的相互关系建立考虑水介质作用下32 m桥跨下的车-轨-桥耦合振动联合仿真模型。采用改进的MJP-40型微型控制摩擦磨耗试验机展开室内试验,测得所需要的干、水介质条件下的轮轨黏着系数。将德国高速低干扰轨道不平顺谱生成的轨道不平顺样本作为车-桥耦合系统的初始激励源,选取车体振动加速度、轮对横移量、脱轨系数和桥梁动力响应(位移和加速度)作为评价指标,通过数值模拟仿真分别在不同车速和黏着系数条件下对高速铁路桥梁动力响应及桥上列车运行安全的影响进行研究。研究结果表明:干摩擦工况下,车-桥系统动力响应随着行车速度提高而增加,但均在现有规范限制内;与干摩擦工况相比较,水介质条件下的轮-轨黏着系数最大降低约52.6%,水介质条件下的低黏着系数会降低车辆振动加速度、脱轨系数和桥梁横向振动加速度。

基于APDL的车-连续曲线梁桥耦合系统建模及动力学分析

随着公路等级、行车速度以及汽车载重等的不断提高,汽车-桥梁相互作用问题越来越突出。在车-曲线桥耦合动力系统中存在"弯-扭耦合作用",使得曲线桥的动力学分析相对复杂得多。基于APDL语言采用位移耦合法建立了车-曲线桥耦合系统有限元模型,并与已有文献对比验证了该方法的正确性。以一座5跨连续曲线箱梁公路桥为例,计算了该桥在车辆荷载作用下的动挠度响应,并分析了偏载、车速、离心力对连续曲线梁桥各跨跨中截面动挠度和动力冲击系数的影响。

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.

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。

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。