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铁路车桥系统耦合振动及其对周边建筑的环境振动

黄健  
【摘要】: 随着科技与社会的发展,铁路与城市轨道交通工程得到迅猛发展,行车速度的不断提高,使得车辆与桥梁系统耦合振动的动力相互作用问题日益突出,对行车安全及周围环境的影响也越来越大,也越来越引起人们的重视。同时,也促进了该领域研究工作的发展,使得研究的范围和深度得到进一步的拓广。 本文在全面总结已有研究成果的基础上,建立了轻轨铁路车桥系统耦合振动及对周边建筑环境振动影响的分析模型,揭示车桥系统耦合振动的激励机理、振动效应及对周边建筑的环境振动影响等。主要研究工作和取得的创新成果有以下几方面: (1)提出了简化的车桥系统耦合振动激励模型。通过对车桥系统耦合振动的激励机理进行深入研究,得出车辆蛇行和轨道不平顺是主要的内部激励,列车以一定速度过桥的重力加载和曲线桥上的离心力以及地震、风荷载是主要的外部激励,对刚度较大的混凝土桥梁,风荷载可以忽略。 (2)建立了车桥系统耦合振动的分析模型。对车辆和桥梁系统进行了一系列简化,建立了27个自由度的车辆分析模型,桥梁模型采用空间梁单元进行模拟,通过车辆与桥梁的变形协调关系,推导出了车桥系统耦合振动的动力平衡方程,采用逐步积分法直接求解。编制了Matlab计算程序,得出轨道不平顺对桥梁横向、扭转位移及横向加速度影响较大,而对竖向影响不大。 (3)研究了土-结构相互作用(SSI)对车桥系统耦合振动的影响。以弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质,而群桩基础则等效简化为弹性地基梁,将其计入车桥系统。得出软弱地基对桥梁的动力特性以及桥梁位移和加速度的影响都较大。分析车桥耦合振动不考虑土-结构相互作用所得的结果偏小,是不安全的。 (4)研究了地震对车桥系统耦合振动的影响。假定桥梁所处地质一致,并忽略地震波传播的行波效应,建立地震作用的车桥系统耦合振动平衡方程。结果表明车辆过桥和地震作用下的桥梁位移存在一定耦合趋势,不能简单的叠加。地震对桥梁的横向位移影响较大,竖向位移影响较小,可以忽略。 (5)研究了车桥系统耦合振动对周边建筑的环境振动影响。将列车和梁简化为集中质量,置于墩台顶部,桥墩按梁划分单元,承台和桩基计人土体单元,土体按单一均质且弹性体假设划分四结点四边形等参元,周边建筑采用层间剪切模型,建立二维桥墩-基础-周边建筑系统振动响应的分析模型。得出了车桥耦合振动对周边建筑振动影响的关系。


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