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风—列车—线路—桥梁系统耦合振动研究

刘德军  
【摘要】:高速铁路大跨度桥梁的增多,使得列车在特大跨度桥上遇到强风作用的机率越来越高。因此,横风作用下行车的安全性和舒适性、线桥结构的安全性等问题也越发突出,但目前这方面的研究还很少。本文在国内外研究成果的基础上,全面考虑了风、列车、轨道和桥梁四个因素,提出了一种较为完善的风—列车—线路—桥梁系统耦合动力分析模型,并编制了相应的桥梁动力分析软件WTTBDAS。该模型全面考虑了风—桥相互作用、风—车相互作用、轮—轨相互作用,桥—轨相互作用,较为真实地反映了风、列车、桥梁之间的气动耦合作用关系以及列车、轨道和桥梁之间的几何、力学耦合关系及整个系统的时变特性。 首先,建立了比较完善的高速铁路四轴车辆模型,将车辆视为包含一个车体、两个转向架和四个轮对的多刚体系统,每个刚体均考虑横向、垂向、侧滚、摇头、点头自由度,共35个自由度,同时考虑了车辆悬挂系统的各种非线性因素;建立了有碴轨道、长枕埋入式无碴轨道动力学模型,钢轨模拟成离散弹性点支承基础上的无限长Euler梁,轨枕及离散后的道床视为刚性质量块;采用有限元法建立桥梁的动力学模型。 其次,介绍了轨道不平顺、脉动风速场的模拟方法,讨论了风、列车、线路和桥梁四个子系统间的相互作用关系。轮轨相互作用采用了新型的动态轮轨关系,可以考虑轮轨之间的弹性接触变形和轮轨瞬时脱离,采用Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨间的法向力;风桥、风车相互作用考虑了车辆位置和桥道间气动系数的相互影响,考虑了桥梁上的静风力、抖振力和自激力,车辆上的静风力和抖振力。采用显式和隐式相结合的混合积分法进行风—车辆—线路—桥梁系统动力方程的求解,编制了相应的计算程序WTTBDAS,采用多种数值算例和试验结果对其功能和可靠性进行了验证。 最后以一座跨径布置为65+221+560+221+65m的高速铁路特大跨度斜拉桥方案为工程背景,从车辆运行速度、单双线行车、车型、轨道结构型式、轨道不平顺等方面对车辆—轨道—桥梁系统的动力响应进行了分析。在横风作用下,详细讨论了不同风荷载、风速大小、列车运行速度等因素对风—列车—线路—桥梁系统的动力响应的影响,并对风速阀值的确定方法做了介绍。 通过本文的研究,完善了目前横风作用下的车桥耦合振动分析模型,拓展了现有车线桥耦合振动分析模型的应用范围。研究表明:(1)不同车型对系统的动力响应规律不完全相同,不同车辆对系统动力性能的影响除了静轴重以外,还与列车车轴弹簧阻尼情况、空气弹簧弹性系数等多种参数有关。(2)有碴轨道和无碴轨道结构型式对系统的响应有—定的影响,但均能满足特大跨度桥梁高速行车的要求。(3)轨道不平顺对桥梁的位移影响很小,但对桥梁的加速度响应有一定的影响;轨道不平顺对车辆和轨道结构的动力响应影响很大。(4)无风时,车辆运行速度对桥梁、轨道和车辆的动力响应影响均很大;单、双线行车对桥梁的影响较大,而对车辆和线路结构的动力响应影响较小。(5)桥梁上的静风对桥梁的位移有较大的影响,对桥梁加速度、轨道和车辆的动力响应影响很小;车辆上的静风力对系统的垂向响应影响不大,但对横向响应影响很大;风的脉动成份对系统的影响较大;考虑风的作用能显著增加系统的动力响应。(6)车辆、轨道和桥梁系统的动力响应总体上随着风速的提高而变大,特别是风速较高(大于20m/s)时,变化幅度很大。(7)当风速为25m/s时,车速变化对跨中横向位移影响较小,而对桥梁竖向位移和竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率等其它指标均有较大的影响。


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