风荷载作用下的车-轨-斜拉桥耦合振动研究

作     者：郭振 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄东梅

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：车桥耦合振动 铁路斜拉桥 大跨度 风荷载 加劲索 

摘      要：大跨度斜拉桥在我国铁路事业中的应用越来越广泛,但随着斜拉桥结构的创新和跨径的增大,列车通过桥梁引起的耦合振动响应不确定性也显著加剧,且在有风的环境下,列车的行车安全面临进一步考验。本文以国内某大跨度三塔铁路斜拉桥为工程背景,借助SIMPACK和ANSYS软件,建立车-轨-斜拉桥联合仿真模型,完成风荷载作用下的车桥耦合振动分析,并讨论了不同加劲索布置对车桥耦合振动的影响,主要工作和结论如下:(1)利用SIMPACK建立了考虑车辆非线性因素的精细化动车组模型。利用ANSYS建立大跨度铁路斜拉桥全桥模型,并对桥梁动力特性进行分析,给出了桥梁主要的振动频率和振型。通过对有限元模型进行子结构分析,将桥梁模态信息导入SIMPACK,建立了车-轨-斜拉桥耦合仿真模型。(2)基于FLUENT平台,建立车桥三维节段模型,采用精细化网格,计算了车桥的三分力系数。运用谐波合成法,结合规范谱在MATLAB中模拟出桥址处的脉动风场,计算得到车桥风荷载。(3)受轨道不平顺系统激励的影响,列车子系统的动力响应具有明显的随机性,桥梁跨中节点的最大位移和加速度皆发生在列车行至跨中附近处,在列车经过后慢慢衰减为零,其中竖向位移变化较平缓,横向位移呈左右震荡。(4)车速提高,列车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等均有增大的趋势,列车运行安全性下降。其中变化最大的是轮重减载率,车速从200 km/h增加到350 km/h,轮重减载率增加了114.7%,而桥梁的竖向位移随车速变化不明显。(5)风荷载对车桥耦合振动影响较大,且风速越高,影响越显著。列车的各安全性指标均随风速增大呈加速上涨,且车速越大,加剧的越明显;不同车速下,桥梁跨中动力响应随风速增加较为接近,风荷载对桥梁横向振动的影响大于竖向。(6)设置加劲索能增加三塔斜拉桥的竖向刚度,提高桥梁竖向振动频率,降低列车过桥时桥梁竖向振动。在布置了中塔稳定索、水平加劲索、主塔交叉索3种加劲索措施时,桥梁竖向基频分别提高了12.2%、20.3%、21.7%;列车以300 km/h过桥时,桥梁竖向位移分别降低了8.5%、12%、13.1%,其中布置主塔交叉索时效果最显著。图101幅,表25个,参考文献108篇