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列车—轨道(桥梁)系统竖向振动分析

娄平  
【摘要】: 我国列车不断提速。随着列车速度的不断提高,轨道、桥梁结构受到的动力冲击作用越来越大,列车自身的动力响应也在增大。国内外对列车—轨道(桥梁)竖向振动的研究很多,但在下列方面仍存在一些问题:例如:钢轨截面剪力和弯矩的计算公式,高速列车—板式轨道—桥梁系统动力响应的有限元分析,车轮跳离钢轨的安全性,桥梁的挠度和应力冲击系数等。本文针对上述问题,开展了一系列的工作,取得了如下成果: 1.首次基于单元动力的平衡条件,提出了计算移动列车作用下连续或离散粘弹性基础钢轨任意截面剪力和弯矩的有限元公式。所提出的公式不仅能退化为计算移动列车作用下简支或连续Bernoulli-Euler梁任意截面剪力和弯矩的有限元公式,也能退化为计算静止荷载作用下Winkler基础Bernoulli-Euler梁任意截面剪力和弯矩的有限元公式。用几个算例验证了所提出公式的正确性,并与使用直接对位移求导方法的计算结果进行了对比。数值结果表明:与直接对位移求导的方法相比,运用本文所提出的有限元公式可以显著提高计算结果的精度及计算效率。 2.视列车、桥梁两端有碴轨道、桥上板式轨道以及多座桥梁为一个整体系统,将轨道和桥梁用有限元离散,利用曾庆元院士提出的弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,首次建立了有限元形式的系统振动矩阵方程。分析了两种确定性轨道不平顺(钢轨扣件失效不平顺、钢轨表面存在单一谐波型不平顺)对系统动力响应的影响;研究了轨道高低随机不平顺激扰下高速列车与桥上板式轨道系统的动力响应。数值结果表明:(1)为了高速列车安全运行及轨道处于良好的受力状态,应保证扣件处于正常的工作状态,严格限制短波长不平顺的波深;(2)简支梁桥设计宜用应力冲击系数,而不宜用挠度冲击系数;(3)秦沈客运专线24m跨度桥梁以及轨道参数能保证高速列车正常运行,故能用于高速铁路设计之中。 3.基于轮轨刚性接触模型,首次导出了考虑轮对跳离钢轨的2轴车辆—桥梁振动矩阵方程,数值模拟了车轮从正常接触钢轨、跳离钢轨到再次接触钢轨的动态过程。数值结果显示:当车轮跳离钢轨时,对于同样的不平顺波长l_a,不平顺波深(?)越大、车速越高,车轮跳离得越高,轮轨冲击力越大,第2次轮轨分离的持续时间越长,轮轨两次分离之间的时间间隔越短。 4.将下承式简支桁架桥、桥上的双层悬挂机车及其牵引的多辆具有一系中央悬挂的货车视为一个系统,首次导出了该系统的竖向振动矩阵方程。利用我国三大干线轨道高低随机不平顺功率谱密度函数,计算了提速货物列车和旅客列车通过64m跨度下承式简支钢桁架桥时下弦杆节点的挠度冲击系数和每根杆件的应力冲击系数。数值结果显示:(1)提速旅客列车以速度160、180、200 km/h运行时的桥梁挠度冲击系数和杆件应力冲击系数均小于货物列车以速度60、70、80、90 km/h运行时相应的冲击系数;(2)在桁梁设计中宜用应力冲击系数,而不宜用挠度冲击系数。 5.分别导出了有限元法和模态分析法的双层轨道结构模型的列车—有碴轨道—桥梁系统竖向振动的矩阵方程。对比了两种方法的计算结果和计算效率,数值结果表明:(1)用有限元法计算钢轨响应和桥梁响应,均能获得较高精度的计算结果;(2)用模态分析法计算桥梁响应时,可以获得较高精度的计算结果;(3)当采用相同的自由度计算钢轨响应时,与有限元法相比,模态分析法的计算精度低(特别是弯矩的计算精度低),并且计算效率低。


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