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。

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。

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。

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。

基于压电悬臂梁的铁路钢桁梁桥振动能量收集方案研究

为了研究在铁路钢桁梁桥布设能量收集装置的最佳位置,了解其给桥梁健康监测系统供电的可行性,基于压电悬臂梁能量收集基本原理,以一座有砟轨道96m双线下承式简支钢桁梁桥为背景,进行铁路钢桁梁桥振动能量转化为电能的收集方案研究。首先以压电悬臂梁作为能量收集装置,基于机电耦合理论,得到可收集能量与桥梁加速度响应的关系;其次应用车-线-桥耦合振动理论,分析该桥在列车过桥时不同构件的加速度响应;然后根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数,采用MATLAB编程求解桥梁不同位置的可收集能量;最后提出6种振动能量收集方案并对比分析。结果表明,桥梁不同位置处动力响应不同,需根据其振动特性设计压电悬臂梁的参数;桥面系尤其是横肋中点处,适宜布置能量收集装置,可收集的能量可以满足桥梁健康监测系统的最小能量需求。

车致桥梁支座动反力频谱特性及影响因素研究

建立频域内的车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,包括1/8车辆模型和CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型两部分,以快速求解100Hz以内的桥梁支座动反力。将CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道-桥梁-支座模型简化为4层叠合梁,采用Euler梁模拟钢轨、轨道板、底座板和箱梁,采用具有复刚度的弹簧模拟扣件、CA砂浆层、滑动层和桥梁支座。以32m简支桥梁为研究对象,分析了支座动反力的频谱特性,并讨论了轨道不平顺、扣件刚度和支座刚度对支座动反力的影响规律。结果表明:支座动反力在车轮-轨道系统的固有频率附近出现峰值;轨道不平顺幅值在很大程度上决定了支座动反力幅值,其峰值频率点在支座动反力曲线上得以体现;扣件刚度降低可一定程度上减小轮轨力及支座反力峰值、频段幅值及峰值频率;支座刚度降低可以减小支座反力幅值,同时降低峰值频率,其主要通过改变轨道-桥梁耦合系统的频响特性实现,而轮轨力基本不受其影响。

铁路结合梁桥结构噪声的数值预测与试验验证

基于车-线-桥耦合振动和统计能量分析,提出铁路钢-混结合梁桥车致振动与结构噪声的理论计算方法。车-线-桥耦合振动分析中,采用有限元方法建立梁-板混合模型,计算桥面板的振动能量,代入并求解统计能量平衡方程,得到桥梁各子系统间的振动能量传递,根据桥梁各构件的振动响应计算桥梁辐射的结构噪声。通过对某三跨钢-混结合梁桥辐射噪声进行现场实测,验证了理论预测模型。分析结果表明:结合梁桥结构噪声主要位于20~1 000Hz频段,计算此类桥梁结构噪声时截止频率可以取1 000Hz;计算主跨跨中断面距近轨不超过25m场点的结构噪声时,可忽略邻跨的影响;全频段内下翼缘辐射噪声最小,315 Hz以上频段以腹板辐射噪声为主,315Hz以下频段以桥面板和钢梁腹板辐射噪声为主。

塔梁交汇区风场效应及对行车安全的影响

以泉州湾跨海大桥为工程背景,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值仿真方法研究在横风作用下CRH3列车通过塔梁交汇区时气动荷载的变化。基于风-车-线-桥耦合振动分析方法研究车辆的动力响应,对车辆行车安全性和乘坐舒适性作出评价。结果表明:考虑塔梁交汇区风场效应对车辆的影响后,车辆气动荷载发生突变,各项动力响应均有所增大,车体加速度变化较显著;当风速达到25 m/s时,横向加速度增大34%,竖向加速度增大41%,均超过了规范限值,桥上行车需要限制车速;在分析横风作用下高速列车的动力响应时,塔梁交汇区风场效应引起的列车气动荷载变化不容忽视。

铁路32m混凝土箱梁结构噪声的时变特性研究

基于车-线-桥耦合振动和瞬态声辐射理论,提出一种混凝土箱梁低频结构噪声的数值预测方法 ,以分析结构噪声的时变特性。采用板/壳单元模拟箱梁,求解车-线-桥耦合振动系统,得到时域内箱梁局部振动响应。将该响应作为声辐射模型的边界条件,采用瞬态边界元法求解结构噪声场。以32m混凝土简支箱梁为例,将计算结果与实测数据进行对比验证。结果表明:计算值与实测值在时域和频域内均吻合良好;振动与噪声的1/3倍频程显著频带分别为31.5~63Hz和40~80Hz;振动响应大小由作用在箱梁上的轮对数决定,不同时刻振动响应的频谱特性变化较小;邻跨声辐射的影响不可忽略,简化分析中可取两跨计算。

基于格子Boltzmann方法的轨道动边界模拟

随着高速铁路建设的蓬勃发展,列车-轨道-桥梁的耦合动力学问题越来越引起成为国内外学者的关注。传统的有限元方法在处理车-线-桥耦合振动问题时,由于轨道复杂的曲面和接触分析要求网格过密等因素导致建模工作繁琐、计算效率低下。本文利用格子Boltzmann方法在处理动边界及曲线边界方面具备传统有限元方法无可比拟的优势,可尝试解决列车与轨道的高速碰撞问题。研究结论:运用格子Boltzmann方法能够对轨道动边界进行初步模拟。考虑轨道不平顺因素的计算结果表明轨道不平顺的幅值越大,车辆粒子所产生的跳动现象越明显,且按级数形式变化的轨道不平顺引起的动力响应要明显大于按半波正弦函数变化的轨道不平顺。这与用有限元方法得到的结论吻合。

重载铁路大跨度钢桁梁桥复合材料轨枕适应性

我国铁路钢桥传统上采用木枕传递活载,尽管木材有着良好的弹性和绝缘性能,但存在木材用量大和养护维修繁琐的不足,复合材料轨枕可通过截面设计使其在外形和重量上与木枕相近。为研究复合材料轨枕在30 t轴质量重载铁路上的适用性,对采用木枕和复合材料轨枕的64m单线铁路栓焊下承桁梁进行动力响应分析,考察货车以不同速度通过桥梁时车辆、轨枕和桥梁的动力性能,对比分析木枕和复合材料轨枕的受力和变形。研究结果表明:铺装不同类型轨枕时,就桥梁而言,各车速下跨中垂向位移和加速度均低于规范限值,满足行车安全要求;就车辆而言,各车速下轮重减载率和车体振动也均满足要求,且铺装木枕或复合材料轨枕时系统动力响应无显著差异;复合材料轨枕的应力比木枕大,但变形小于木枕,无论应力还是变形均远小于复合材料轨枕的许用应力和许用变形;就复合材料轨枕而言,虽然距力作用点较近处的轨枕受载比木枕大,但是两者差距小于2%,可认为基本一致。复合材料轨枕能满足30t轴质量货车在60～90km/h范围内安全平稳运行的要求,适合作为木枕替代品。