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。

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。

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.

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。

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。

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。

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。

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-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.

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。

大跨度四线铁路桥梁车-桥耦合建模与振动分析

以某四线大桥为背景,由实测结构模态参数结合设计相关资料,建立了桥梁基准有限元模型。然后基于此模型,由轮轨法向刚性接触关系,采用模态叠加法建立了车-桥整体系统运动方程,并结合实桥通车实验和数值计算进行对比分析,验证了模型的正确性。最后,开展了多种工况下的车辆-桥梁耦合振动分析计算,对桥梁和车辆的动力响应以及列车运行安全性和平稳性进行了分析评价,得出了一些有工程意义的结论。

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。

曲线箱梁桥的车-桥耦合振动分析

利用Ansys软件计算了连续箱梁桥不同曲率半径时的自振频率,用梁单元模拟连续曲线桥,用移动质量模拟车辆,建立了车-桥耦合振动模型。考察了曲率半径、车辆速度、车重对曲线桥挠度冲击系数的影响,总结了曲线桥挠度冲击系数随曲率半径、车辆速度、车重的变化规律。

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。

车-桥耦合振动分析的模态综合方法

对车辆与桥梁之间产生的耦合振动进行了全过程分析。首先通过有限元软件对桥梁进行模态分析,在此基础上建立三维车辆模型与桥梁模型组成互动体系的振动时变方程组,然后通过数值逐步积分进行求解。分析方法考虑了桥面平整度、车速等因素。该法不受桥型、跨径等因素的制约,可以模拟多车道和多辆车,有更强的通用性,优化精简了桥梁结构的自由度,提高了计算速度,计算结果准确可靠。

考虑车辆过缝的车-桥耦合振动分析方法

为考虑伸缩缝参数变化对车-桥耦合动力响应的影响,通过分析车轮过缝过程,提出了车辆过缝等效力、等效位移模型.利用伸缩缝局部振动模态提取法及模态综合法,建立了考虑伸缩缝参数影响的车-桥耦合动力响应分析模型,并基于Matlab平台编制了车辆过缝的车-桥耦合动力响应分析程序及其数值求解方法.以某简支转连续梁桥为例,通过现场实测对考虑车辆过缝的车-桥耦合动力响应分析方法进行验证.结果表明,利用所提方法计算的伸缩缝和主梁的加速度和位移响应峰值与实测值的误差均在7%以内,说明该方法能够较为准确地考虑车辆过缝对车-桥耦合动力响应的影响.

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。

融合注意力机制和Bi-LSTM网络的车辆辅助桥梁损伤评估

基于车辆辅助的桥梁损伤识别具有巨大应用潜力,但仍难以从多源监测数据中提取损伤敏感特征,进而准确评估桥梁损伤状态。为此,提出了基于长短时记忆网络的注意力加权特征融合模型(ALFF-Net)。该模型通过预置数据重构层,提高了Bi-LSTM单元对时间序列多尺度特征信息的感知能力。同时结合注意力机制和特征融合策略,降低了深度神经网络下游分支的预测难度,进一步提升了模型对序列数据重要依赖关系的建模能力。通过车-桥耦合仿真生成了不同路面不平整度和车速下的监测数据集,对ALFF-Net模型的桥梁损伤识别性能进行综合测试。结果表明:ALFF-Net模型较经典LSTM网络在显著降低计算成本的同时,损伤识别准确率最高可提升19.30%,且各级路面不平整度下的识别误差均小于3%。进一步地,通过对比ALFF-Net模型在不同监测数据驱动方案下的识别精度,验证了协同多源监测数据的桥梁结构损伤检测结果更为鲁棒。

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。