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铁路桥梁三维耦合振动仿真与墩台状态评估

岳祖润  
【摘要】: 为了解决提速铁路和重载铁路日益突出的桥梁横向振动和状态评估问题,本文首先建立了较为完善和可靠的三维车桥墩地基耦合振动模型。用非线性弹性块体单元模拟墩身和地基土,在桥墩基础与地基土接触面上,综合考虑了裂缝开合和相对滑动特性,形成无厚度接触单元。建立了梁的三维模型,并以非线性弹簧阻尼单元模拟支座效用,将梁和墩耦合为整桥模型。建立了列车模型,并在轮轨接触界面上,利用新方法建立了轮轨动力接触单元,将列车和桥梁耦合。地基与基础、桥墩与梁、梁与列车三种耦合单元的建立,实现了以移动质量为特征的轮轨动力接触,使模型更为完善、合理。 在模型建立的各个环节上都以现场测试结果对模型进行验证和优化,确保了各部分以及整桥模型的可靠性。 模型形成以后,进行了整桥模型的自振特性仿真分析。仿真计算证明了整桥模态在桥梁这种狭长弱耦合结构中的存在,并指出整桥模态使得桥梁在横向的自振频率降低,容易引起了过大的横向振动。弄清整桥模态对于有的放矢地进行桥梁加固具有重要意义。 在模态分析中施加了列车质量,分析了有车频率(计入列车质量的整桥频率)随着列车位置不同而变化的规律,提出了有车频率的计算方法。当有车频率与激励频率接近或重合时,将引起车桥拍振或共振。因此,有车频率在桥梁振动中扮演重要角色。同时发现,列车布满桥梁时,有车频率基本稳定。 在充分把握自振特性的基础上,进行了车桥空间振动时程反应仿真分析,取得了满意的进展。首先在平直轨道上再现了蛇行运动,证明其幅值量级非常小,将其作为激励进行耦合振动分析在概念上不够确切,而轨道不平顺才是车桥振动的主要激励源(自激激励)。然后计算了单轴车动力反应,与相关文献上的理论解吻合。探讨了单节车动力反应规律以后,重点以大石河20号桥为原型,进行了整列车过桥的时程反应仿真计算。详细研究了列车车速、轴重、进桥前的初始条件、进桥时的初相位、轨道不平顺类型和不平顺幅值等因素对车桥耦合振动的影响。得出了一些有关重载、提速列车横向振动方面的重要结论。 最后,结合现场测试成果和仿真计算成果,提出了重载(25t轴重)列车作用下,既有铁路桥墩评估的三阶段法。经过几座典型桥梁的评估实践,证明该方法具有可靠、简明、可操作性强等优点。


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