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.

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。

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.

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.

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。

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。

高速磁浮车-轨耦合系统动态机理与振动响应

对高速磁浮车-轨耦合系统进行动态机理和振动响应研究。首先,对高速磁浮中的各类耦合关系进行建模;其次,分别分析了动态和静态条件下的车-轨耦合作用机理;然后,建立了高速磁浮车-轨耦合动力学有限元模型;最后,对磁浮列车高速通过桥梁时轨道梁、功能件的动力响应和车-轨共振速度进行分析。结果表明:高速运行时车-轨作用频率不同,长时间共振速度下运行时车-轨振动明显增大;若桥梁动力放大系数小于1.2,则基频比最小值为1.16;若桥梁动力放大系数小于1.3,则基频比最小值为1.04。

考虑轨道不平顺降维模拟的车-轨-桥系统竖向随机振动研究

基于概率密度演化理论(PDEM)开展了车-轨-桥系统竖向随机振动研究。结合正交随机函数思想和数论选点理论,提出了轨道不平顺代表样本的降维模拟方法,通过2个基本随机变量实现了概率密度层次上随机激励代表样本的模拟;基于PDEM建立了车-轨-桥系统竖向随机振动方程,并进行了算例验证;探讨了车速对简支梁桥和CRH3、CRH2和ICE3三种车辆随机振动响应的影响。结果表明:受车桥共振影响,桥梁中跨跨中竖向位移的均值和标准差在车速425 km/h时均出现了最大波峰;桥梁跨中竖向加速度均值和标准差基本呈现随车速的增大而增大变化趋势;当轨道不平顺激励主频接近车辆竖向一阶自振频率时,车体的竖向位移响应最为显著;车速越大,轨道随机不平顺对车体竖向加速度响应的贡献越大。

高速铁路主跨320 m钢-混部分斜拉桥无砟轨道适应性研究

南玉高铁六景郁江特大桥设计将钢-混部分斜拉桥结构引入时速350 km高速铁路领域,而300 m级以上大跨度桥上无砟轨道的竖向变形极易超限,影响列车通过的安全性和舒适性,因此,系统研究在此大跨桥梁结构上铺设无砟轨道的适应性十分必要。通过建立有限元及动力学模型,分析不同组合工况下无砟轨道结构的变形特点及动力特性,运用60 m弦测法探究各工况下无砟轨道的线形变化规律,从而确定大跨度钢-混部分斜拉桥铺设无砟轨道的适应性,并对设计和施工提出合理化建议。主要结论如下:在各种不利组合荷载作用下,桥上无砟轨道结构强度满足规范要求,列车通过大桥的各项安全性与舒适性指标均满足规范要求;混凝土收缩徐变和斜拉索升降温是影响无砟轨道线形标准的两大主因,应在无砟轨道施工前确保足够的沉降观测期和收缩徐变释放期,并充分考虑拉索的保温设计;在温度组合荷载作用下,桥上无砟轨道的60 m弦测不平顺幅值为6.79 mm,满足高速铁路静态验收标准;但在叠加列车荷载和收缩徐变后,变形弦测值均出现Ⅱ级及以上超限,通过合理设置预拱度后可有效改善轨道平顺性标准。

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。

基于预先补偿和全状态反馈控制的车-轨耦合振动抑制

以高速磁浮列车为研究对象,探讨了弹性轨道下的车-轨耦合振动问题。建立了能反映实际问题的车-轨耦合最小悬浮单元模型,并进行了开环系统稳定性和耦合振动机理分析。以弥补比例-积分-微分(PID)控制器有效信息利用不足为出发点,设计了基于预先补偿的全状态反馈控制器。通过仿真分析了反馈增益矩阵对系统跟踪性能和振动抑制能力的影响,提出了适当降低对悬浮间隙的要求换取振动抑制能力提升的思路。进一步分析了反馈系数对悬浮系统性能的影响规律,基于此得到了优化的预先补偿和全状态反馈控制框架。最后,通过实验验证了基于预先补偿的全状态反馈控制对抑制车-轨弹性耦合振动的有效性。

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。

车辆参数对车-桥耦合系统变截面连续梁桥损伤识别的影响

文章研究车-桥耦合系统的非线性振动特性,采用有限分段思想,建立1/4车辆模型和变截面连续梁桥的车-桥耦合振动方程,在MATLAB环境下编制基于Runge-Kutta算法的车-桥耦合振动数值分析程序,得到桥梁跨中位移响应;以某三跨混凝土连续梁桥为算例,分析车桥质量比、车辆速度、车辆弹簧刚度、信噪比4组参数的变化对变截面连续梁桥损伤识别的影响。结果发现:车桥质量比和信噪比较大时,桥梁损伤识别效果较好;较低的行车速度有利于桥梁的损伤识别研究;车辆弹簧刚度的影响非常小,可忽略不计。

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。

基于改进迭代模型的车-桥耦合系统竖向随机振动研究

采用改进的车-桥耦合系统迭代计算模型,建立了基于虚拟激励法(PEM)的列车-轨道-桥梁竖向随机振动分析模型.采用虚拟激励法将轨道不平顺精确地转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,并运用分离迭代法求解车-桥耦合系统振动方程.以CRH2高速列车通过5跨简支梁桥为例,对改进的车-桥耦合系统迭代计算模型的计算精度和效率进行了验证.结果表明:在保持与传统模型相同计算精度的前提下,改进模型能使计算效率提高5倍左右.通过对列车-轨道-简支梁桥竖向随机振动响应中确定性激励引起的均值和轨道不平顺引起的均方根进行分析可知:桥梁竖向位移主要受列车自重控制,轨道不平顺引起的桥梁竖向位移影响很小;桥梁和车体竖向加速度受轨道不平顺影响显著,改善线路条件能有效提高列车的乘车舒适性;同时,车速越高,桥梁和车辆随机响应的均方根越大,由轨道不平顺引起的耦合系统振动响应的离散度越大.

沪通长江大桥主航道桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究沪通长江大桥主航道桥在侧风下桥上行车的车辆抗风安全性,提出风-车-轨-桥系统耦合振动分析框架。该系统动力学模型不仅考虑了轨道结构的参振,其采用的轮轨动态耦合模型还突破了传统轮轨为刚体并始终保持密贴的假定。此外,气动荷载还考虑了桥梁、车辆的存在对彼此的影响。针对沪通长江大桥主航道桥,利用自主研发的WTTBDAS软件对不同车速、风速下系统的动力响应进行分析和讨论,结果表明:车速和风速均对系统动力响应有较大的影响,当风速达到20m/s后,车辆的运行安全性和乘坐舒适性主要由风速控制。根据相应的动力性能评价指标,得到了大风天气下桥上行车的车速-风速阈值。

基于车-桥系统耦合振动理论的大跨PC连续刚构桥冲击系数研究

在分析车-桥系统耦合振动研究资料的基础上,推导了基于自身假设条件下的车-桥系统耦合振动的运动方程组。利用VC++编制了可用于车-桥系统耦合振动分析的专业程序CQZD。以2座大桥为例,分析了桥梁基频对大跨PC连续刚构桥冲击系数的影响,并将算例中的冲击系数计算结果同按规范JTG D60—2004计算的结果进行了比较。结果表明:桥梁基频对冲击系数的影响比较显著,冲击系数随基频的降低而降低。

上海长江大桥风-轨道车辆-桥耦合振动及抗风行车准则研究

为确定上海长江大桥轨道交通车辆的抗风行车准则,将风、车、桥三者视为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,通过风洞试验测定主梁及车辆的气动参数,采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS进行风-车-桥耦合动力分析计算。计算结果表明:桥梁和车辆的响应随风速的增大而增大,风荷载对行车的安全性和舒适性有很大影响。当风速小于20m/s时,车辆可按设计车速90km/h运行;当风速在20～30m/s之间时,车速不应大于60km/h;当风速超过30m/s时,应封闭轨道交通。