中小跨度铁路桥梁横向振动模拟及适应快速行车结构型式的研究

【摘要】：现代社会的进步、经济发展和人民生活水平的提高对交通运输质量（快速、安全、舒适） 提出了更高的要求，为了适应这一需求，近年来我国铁路实施了分批分级的提速计划。客运由 100km／h逐步提速到120、140、160、200km／h，与此相应，货运由50km／h逐步提速到60、80、 100km／h。并正在实施快速和高速客运专线（200km／h－300km／h）的建设。而我国既有线上桥梁 大多数为中小跨度（20－40m）简支PC T梁和钢板梁，这些过去不同时期建造的桥粱，当初设计 时列车速度不高，当时的规范也未对列车通过桥梁的走行性评定作出规定。在提速中发现空载 货车在以大于 60km／h速度通过中小跨度桥粱时，桥梁发生了较大的横向谐振，特别是上承式钢 板梁，最大横向振幅达12mm。在客车以大于160km／h速度这些桥梁时，横向振幅也较大。因此， 如何通过仿真分析再现桥梁动力响应的理论研究，如何改造既有线桥梁使之满足提速后列车走 行性要求，以及研究适合快速和高速客运的桥粱结构形式，是我们今后的长期任务。 本文结合我国既有线提速和高速铁路的建设中中小跨度桥梁急需解决的问题展开了以下研 究： 首先，应用大型通用结构分析程序肥C／PATRAN、MSC／NASTRAN和MSC／DYTRAN建立了列车、 线路和桥梁系统的三维有限元分析较精确的模型，以车辆的速度和轨道不平顺等级作为输入条 件，采用显式积分方法，在每个时间步长中依次求解整个有限元模型中各个节点的加速度、速 度和位移、单元的应变率、单元应力、节点力，最终求得结构在分析时间内的加速度、位移、 力等随时间变化的响应值，由轮轨接触力求得轮重减载率和脱轨系数以评定行车安全性，由车 体的加速度评定运行平稳性。同时，就32米简支钢板梁桥横向振动的计算结果与实测结果进行 了比较，其振幅的随机性以及强迫频率吻合较好，从而验证了本仿真分析的可信性。 此外，本文提出按余弦波周期变化的横向力作为蛇行运动的简化模型，求解了引起桥梁横 向拍振的蛇行运动频率，与实测值基本接近，这对通过快速计算确定引起桥梁横向拍振的蛇行 运动频率具有实用意义。 针对上承式钢板梁桥发生的横向类共振现象，基于吸能减振原理对32米上承式钢板梁桥设 计了粘弹性阻尼器减振装置，并将减振装置安装于羊楼司桥上进行了实桥减振试验，取得了显 著效果。 针对既有线中小跨度简支钢板梁和PCT梁在提速后山现的横向振动过大的问题，用本文建 立的车线桥系统有限元模型，应用MSC／DYTRAN软件，分析了32米简支和多跨连续结合梁桥在 客车以 140－300km／h速度通过时的走行性。什对我国既有线上PC T梁出现的问题，提出了加固 方案并进行了走行性分析。研究结果对我国既有桥梁的改造和高速铁路桥粱建设具有重要参考 价值。