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撞击荷载作用下车桥系统的动力响应及高速列车运行安全研究

夏超逸  
【摘要】:随着科学技术的发展和新型材料的应用,铁路桥梁跨度不断增大,列车速度不断提高,桥梁的振动问题日趋突出。与此同时,随着水运、铁路、公路交通的日益繁忙,船舶、流冰、车辆撞击桥梁结构的事故也越发频繁。本文在国家自然科学基金项目“撞击荷载作用下车桥系统的动力响应及列车运行安全控制研究(51178025)”和“河冰物理力学性能及其对桥梁撞击作用机理的研究(50878020)”的资助下,针对撞击荷载引起的桥梁结构振动以及由此引发的桥上高速列车的运行安全问题,展开了较深入的研究。主要研究内容和创新点包括: (1)对国内外桥梁遭受船舶、汽车和流冰等撞击而引发重大事故的情况和相关的研究现状进行了综述,阐述了研究撞击荷载引起的桥梁振动和列车运行安全问题的必要性,总结了一般车桥动力相互作用问题的研究内容及主要研究方法,说明了论文的选题意义和立项依据。 (2)结合国内外铁路、公路设计规范和相关研究成果,总结了船舶、车辆和流冰撞击荷载的设计方法以及理论分析、数值模拟和试验结果。分析了各种撞击荷载的持时、最大幅值、作用位置等特点,为确定列车-桥梁系统动力分析模型中的撞击荷载取值方法提供了依据。 (3)在佳木斯松花江公路大桥、通河松花江公路大桥等地进行了河冰温度场及流冰撞击荷载现场试验。通过河冰温度场试验,得到了流冰期气温、水温与河冰温度的相关关系。通过流冰撞击荷载试验,得到了流冰撞击桥墩的撞击力时程曲线,为撞击荷载作用下的车桥耦合振动分析提供了实测撞击力数据。采用快速傅立叶变换对实测流冰撞击力时程进行了频谱分析,获得了撞击力的离散频谱并对其特性进行了分析。 (4)建立了撞击荷载作用下的车桥耦合系统动力分析模型,编制了相关的计算程序,其中车辆模型采用多刚体动力学方法建立,桥梁模型采用振型叠加法建立,轮轨垂向作用力按照轮轨密贴假定定义,轮轨横向作用力按照简化的Kalker蠕滑理论定义,撞击力作用时程以节点动荷载模拟。提出了一种适用于车桥动力耦合系统时程积分的全过程迭代法,通过算例说明了其计算效率。 (5)利用所建立的计算模型和自编程序,以九江长江大桥为实例,按照我国普通旅客列车和美国五级谱轨道不平顺条件,通过模拟计算,考虑有无船舶撞击两种情况,对桥梁墩顶和跨中的横向位移和加速度响应以及列车的脱轨系数等运行安全指标进行了时程分析,并将桥梁位移响应的计算结果与2007年现场实测的一些数据进行了比较,部分地验证了本文方法。在此基础上,按照德国ICE3高速列车和秦沈客运专线轨道不平顺条件进行了计算,并与普通列车的计算结果进行了综合分析比较,结果表明荷载撞击桥梁对高速列车的影响比普通列车大。 (6)以哈大高速铁路(32+48+32)m预应力混凝土连续箱梁桥为分析对象,考虑佳木斯流冰、通河流冰、船舶三种类型的撞击荷载,对桥梁墩顶、主跨跨中的位移和加速度响应以及ICE3高速列车的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力等运行安全指标进行了时程分析。在此基础上,通过进一步的参数分析,系统地研究了撞击荷载类型、撞击强度、列车速度、列车类型等对桥上列车运行安全指标的影响规律。 (7)对撞击荷载作用下高速铁路桥梁上列车的运行安全控制方法进行了初步的探讨,提出了撞击荷载作用下保障桥上列车运行安全的撞击强度-列车速度阈值曲线的确定方法。通过系统的模拟计算分析,得到了高速铁路(32+48+32)m预应力混凝土连续箱梁桥在佳木斯流冰(多次连续脉冲)、通河流冰(单次窄脉冲)、船舶(单次宽脉冲)三种类型撞击荷载作用下,德国ICE3、日本E500、国产CRH2三种列车在桥上安全运行的撞击强度-列车速度阈值曲线。


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