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。

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。

考虑扣件温频变的车轨桥垂向耦合系统振动能量研究

通过对扣件进行定频变温试验,结合温频等效原理与高阶分数导数FVMP模型建立扣件的温频变动态力学模型,并在车-轨-桥耦合系统中采用新建模型模拟扣件,基于功率流法系统地分析与评价扣件温频变动态力学性能对车轨桥耦合系统振动能量分布与传递的影响。结果表明:考虑扣件动参数频变会使中高频段内的轨道结构振动能量增大,对低频段的轨道结构振动能量影响较小,且对钢轨传递给轨道板的振动能量影响较大,但对桥梁的振动能量传递影响较小;温度的降低会导致轨道结构的振动能量增大,且会增大61 Hz后中高频段内钢轨传递给轨道板的振动能量,但对桥梁的振动能量传递影响较小;扣件温频变对轨道结构振动能量的分布有较大影响,但对于轨下结构的能量传递影响较小。因此,在轨道桥梁耦合求解振动能量时必须要考虑扣件温频变特性,否则将难以精准预测轨道结构振动能量分布特性。

一种基于Simpack和OpenSees联合仿真的地震下列车-轨道-桥梁耦合作用分析方法

列车-轨道-桥梁耦合振动系统在强地震作用下,桥墩和支座容易发生破坏,桥梁结构容易进入弹塑性状态。考虑到强震作用下车-轨-桥耦合振动系统的复杂性和桥梁结构的非线性,单一软件难以满足耦合振动分析的要求。因此,本文首先基于Client-Server架构,提出了一种将多体动力学软件Simpack和地震仿真开源软件OpenSees相结合的车-轨-桥耦合振动分析方法,该方法充分利用了Simpack强大的轮轨分析能力和OpenSees完善的非线性分析功能。继而,采用联合仿真和有限元整体建模仿真两种不同的仿真思路对单跨简支梁桥进行时程分析,验证了基于Simpack与OpenSees联合仿真思路的正确性和准确性。最后,采用本文提出的基于Simpack与OpenSees联合仿真的车-轨-桥空间耦合振动分析方法对地震作用下多跨桥梁的仿真进行了进一步的分析。结果表明:使用本文提出的新的车-轨-桥空间耦合振动分析方法进行地震下高速列车-轨道-桥梁耦合振动分析研究具有通用性强、准确性高等优点,可以很好地进行地震下车-轨-桥耦合振动研究。

扣件胶垫温变特性对车辆−轨道−桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆−轨道−桥梁耦合振动时域模型中进行分析。研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著。从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小。从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大。钢轨在8~100 Hz范围内振动减弱,在125~315 Hz振动加剧,轨道板在80~400 Hz振动加剧,桥梁在80~250 Hz振动加剧。

考虑节点刚域影响的钢-混组合桁架梁桥行车动力响应分析

为研究节点刚域对钢-混组合桁架梁桥行车动力响应的影响规律,以某新建桥梁为例,利用自主开发的TRBF-DYNA软件开展列车-轨道-桥梁耦合系统振动响应研究.分别采用有限元方法建立考虑节点刚域的轨道-桥梁子系统整体三维模型;采用多刚体动力学方法建立31自由度车辆子系统模型,应用轮轨空间滚动接触模型模拟轮轨间可分离的接触关系.首先分析了节点刚域对桥梁自振特性的影响;继而研究了节点刚域和行驶线路对列车走行性以及桥梁整体和局部杆件动力响应的影响.结果表明:考虑节点刚域显著提高桥梁刚度;同时,桥梁的竖向振动位移峰值和加速度峰值减小30.00%~35.15%;钢腹杆内力显著提升,其中弯矩会增大90.41%~224.02%;但节点刚域对列车行车安全性指标影响较小.双线行车较单线行车引起的桥梁动力响应显著增强,其中横竖向加速度峰值将分别增大114.29%和100%;钢腹杆的应力有所增加,但并非成倍增加.建议在研究钢-混组合桁架梁桥行车动力响应时考虑节点刚域的影响.

大跨斜拉桥温度变形下轨道车辆动态特性研究

为研究大跨斜拉桥温度变形对桥上轨道车辆动态特性的影响,基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用有限元法和多刚体动力学建立了地铁车辆-轨道-大跨斜拉桥刚柔耦合动力学模型。借助该模型,首先,分析整体升降温情况下大跨斜拉桥的变形规律;然后,考虑轨道随机不平顺与温度载荷下钢轨变形的综合作用,研究轨道车辆过桥时的动态特性;最后,研究温度载荷和车速对车辆各项动力指标的影响规律。研究结果表明:大跨斜拉桥在温度载荷作用下发生变形,整体表现为升温下挠、降温上拱,且形变量与温度载荷几乎呈线性变化关系;针对研究参数,温度载荷引起的钢轨变形使轮轨垂向力、车辆脱轨系数和轮重减载率分别增大了1.5%、3.1%和5.0%,降温工况下车体垂向加速度减小了2.4%,升温工况下增大了3.7%,车体垂向加速度在升降温情况下的主频主要集中在0~5 Hz,与常温条件下相差很小;脱轨系数和车体垂向加速度受温度载荷影响更大,轮重减载率和轮轨垂向力受速度的影响更为明显。论文结果为后续学者研究温度载荷对大跨斜拉桥上车辆动力响应影响提供一定的参考作用。

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响,以某四塔公铁两用斜拉桥为背景,进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载,并通过桥梁和列车节段模型风洞试验,测得计算所需气动力系数;在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型,研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明:突风效应会导致列车横向位移达到最大值,遮风效应会使列车横向加速度达到最大值;随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加,列车动力响应随之增加;风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数,并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大;仅在风速不大于10 m/s时,列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。