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波浪作用下跨海大桥列车走行性研究

西南交通大学学报 2017年第6期52卷 1068-1074页

作者：房忱李永乐向活跃西南交通大学桥梁工程系四川成都610031

针对平潭海峡大桥所处海洋环境复杂恶劣、波浪会影响列车的安全性和舒适性问题,基于车-桥耦合动力仿真方法,利用自主研发的桥梁有限元软件BANSYS(bridge analysis system),分析了极端波浪荷载作用下车辆和桥梁的动力响应,讨论了波浪荷... 详细信息

针对平潭海峡大桥所处海洋环境复杂恶劣、波浪会影响列车的安全性和舒适性问题,基于车-桥耦合动力仿真方法,利用自主研发的桥梁有限元软件BANSYS(bridge analysis system),分析了极端波浪荷载作用下车辆和桥梁的动力响应,讨论了波浪荷载重现期、车速、水深和桥墩刚度等因素的影响.研究结果表明:波浪荷载对车桥系统的响应影响显著,当波浪荷载重现期为50 a时,桥梁跨中横向位移超限;当波浪荷载较大时,波浪对列车走行性起主要控制作用,当波浪荷载较小时,车桥系统的动力响应对车速较为敏感;低桩承台方案可有效降低波浪荷载作用下桥梁和车辆的动力响应;桥墩基础采用常用的不同标号的混凝土对行车安全性和舒适性影响较小,车辆最大横向加速度相对变化幅值最高达3%.

关键词：波浪荷载列车-桥耦合振动动力响应列车走行性

基于列车走行性的斜拉桥竖弯涡振振幅限值研究

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铁道科学与工程学报 2023年第11期20卷 4233-4242页

作者：郭向荣岳道阔中南大学土木工程学院湖南长沙410075

为合理确定基于列车运行安全性与乘坐舒适性的斜拉桥竖弯涡激振动幅值限值,以渝黔高铁某主跨为300 m的双塔斜拉桥为工程背景,通过刚性悬挂节段模型测力试验获取其主梁与列车气动三分力系数,采用弹性悬挂节段模型测振试验测试成桥状态下... 详细信息

为合理确定基于列车运行安全性与乘坐舒适性的斜拉桥竖弯涡激振动幅值限值,以渝黔高铁某主跨为300 m的双塔斜拉桥为工程背景,通过刚性悬挂节段模型测力试验获取其主梁与列车气动三分力系数,采用弹性悬挂节段模型测振试验测试成桥状态下主梁的涡振性能,获取桥梁的竖向涡振起振风速。将桥梁与列车视为一个整体系统,以风荷载为外部激励,以轨道不平顺为自激力,其中桥梁的涡振响应以动态轨道不平顺的形式加入,依据弹性系统动力学总势能不变值原理以及形成矩阵的“对号入座”法则建立风-车-桥耦合系统振动方程,研究桥梁发生不同振幅及初始相位竖向涡振情况下,列车以不同行车速度通过桥梁时的桥梁动力响应指标和列车脱轨系数、轮重减载率、车体振动加速度、Sperling舒适性指标等,确定在考虑列车运行安全性和乘坐舒适性情况下的斜拉桥竖弯涡振振幅限值。研究结果表明:列车运行速度分别为250,275,300,325和350 km/h时,该斜拉桥竖弯涡振振幅限值分别为3.5,3.0,2.5,2.3和1.8 cm。基于列车走行性计算确定的桥梁竖弯涡振振幅限值较《公路桥梁抗风设计规范》中对桥梁竖弯涡振振幅限值的规定更具参考价值,较基于车体加速度峰值及其变化率确定的桥梁竖弯涡振振幅限值更加合理。

关键词：桥梁工程斜拉桥涡振振幅限值风-车-桥耦合振动风洞试验列车走行性

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考虑桥墩撞击的整体式刚构桥列车走行性分析

铁道科学与工程学报 2022年第7期19卷 1954-1962页

作者：戴公连肖尧郭向荣葛浩中南大学土木工程学院湖南长沙410075 长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010

目前,大多数研究分析撞击荷载对车桥耦合振动的影响时都假定桥梁各部件在撞击荷载作用下将产生线性变形,但实际上的撞击变形是一系列复杂的非线性过程,因此,这并不能准确反映撞击变形对车桥耦合系统的影响。针对这一现状,提出一种考虑... 详细信息

目前,大多数研究分析撞击荷载对车桥耦合振动的影响时都假定桥梁各部件在撞击荷载作用下将产生线性变形,但实际上的撞击变形是一系列复杂的非线性过程,因此,这并不能准确反映撞击变形对车桥耦合系统的影响。针对这一现状,提出一种考虑撞击全过程中动态不平顺的车桥耦合系统动力分析模型,该动态不平顺是基于撞击荷载作用下的桥梁非线性变形而计算得到。以某整体式刚构桥为例,计算货车分别撞击中墩和边墩时对应的桥面非线性动态位移,将其叠加到轨道不平顺中得到最终动态不平顺。在此基础上,进行基于桥墩撞击下轨道动态不平顺的车桥耦合振动计算,得到桥梁和列车的动力响应并对其加以分析。梁体及列车的动力响应计算结果表明,撞击作用下的梁体位移随时间呈波浪形状从撞击点向两侧扩散。基于动态不平顺的分析模型可以更直观地反映撞击荷载对车桥系统耦合振动的影响。桥墩受撞击时,列车的横向振动受到剧烈影响,而竖向振动受到的影响甚微。边墩受撞击时对应列车响应更大,此时更易发生事故。

关键词：车桥耦合振动撞击荷载动态不平顺列车走行性

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大跨度钢斜拉桥列车走行性研究

工程力学 1999年第A3期3卷 15-20页

作者：李小珍强士中西南交通大学土木工程学院

从列车走行性要求出发，运用桥梁结构动力与车辆动力力学的研究方法，将车桥作为联合动力体系，以京沪高速铁路南京越江方案１６０＋１８０＋８００＋１８０＋１６０米钢斜拉桥为研究对象，进行了高速列车过桥时的车桥空间振动分析，对... 详细信息

从列车走行性要求出发，运用桥梁结构动力与车辆动力力学的研究方法，将车桥作为联合动力体系，以京沪高速铁路南京越江方案１６０＋１８０＋８００＋１８０＋１６０米钢斜拉桥为研究对象，进行了高速列车过桥时的车桥空间振动分析，对高速列车通过大跨芳钢斜拉桥的列车走行性进行了探讨。

关键词：高速列车斜拉桥钢桥振动分析列车走行性

高速铁路列车-线路-桥梁耦合振动及列车走行性研究

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中国铁道科学 2002年第2期23卷 135-138页

作者：高芒芒铁道科学研究院铁建所北京100081

Due to extensitve application of bridge structure on high speed railway line, it is necessary to consider comprehensively the common effect of the train, the track and the bridge. By forming an integrated large system including the car and locomotive system, track system, bridge structure system and making use the interaction of the wheel/rail as the ″link″ between these systems, the study focuses on the coupling dynamic analysis of the train, the track and the bridge. Based on the summary and digestion of the predecessor′s research experiences, this article studies the coupling vibration of the train, the track and the bridge structure system on the high speed railway line. It covers the following: 1. Establishment of a more completed dynamic analysis model for cars and locomotives: the four axle car with two level suspension is used for the study and a space vibration analysis model constituting of such rigid bodies as carbody, bogie frame and wheelset is built. There are totally 31 degree of freedom, i e, 5 for the carbody and the front and rear bogie respectively, including horizontal movement, bounce, roll, pitch and yaw, 4 for each wheelset, including horizontal movement, bounce, roll and yaw. In the wheelset movement equation, the previous assumption that the wheelset always keep rigid contact with track in the car bridge coupling analysis has been corrected. The wheelset is allowed to leave the track, i e, ″jump on rail″. The degree of freedom of the wheelset has increased from horizontal movement and yaw, 2 in total, to horizontal movement, bounce, roll, and yaw, 4 in total. The degree of freedom for the car model has increased from 23 to 31. *** of track structure dynamic analysis model of the multi layer supporting system aiming at ballasted track bridge of multiple spans for the first time: in accordance with the type and characteristics of different track structure and their models and aiming at the most common used ballasted track, the stud

关键词：列车走行性高速铁路桥梁结构线路结构耦合振动轨道不平顺轮轨接触关系蠕滑理论

强风作用下大跨度客货混运铁路悬索桥列车走行性研究

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强风作用下大跨度客货混运铁路悬索桥列车走行性研究

作者：刘江浩中南大学

学位级别：硕士

为适应西南部艰险山区铁路建设的需要,大跨度铁路悬索桥应运而生。相对于常用的公铁两用悬索桥而言,大跨度铁路专用悬索桥桥面宽度更窄,抗风稳定性更弱,故在列车活载、风荷载等多因素作用下,此类型桥梁往往会发生较大的动位移,从而降低... 详细信息

为适应西南部艰险山区铁路建设的需要,大跨度铁路悬索桥应运而生。相对于常用的公铁两用悬索桥而言,大跨度铁路专用悬索桥桥面宽度更窄,抗风稳定性更弱,故在列车活载、风荷载等多因素作用下,此类型桥梁往往会发生较大的动位移,从而降低了桥上列车运行的安全性。目前国内外对于悬索桥能否满足铁路高速行车对结构刚度的要求依旧存在争议,因此为保证列车运行过桥时的安全性与平稳性,有必要探究列车在强风作用下的走行性。本文以丽香铁路金沙江特大桥为研究对象,主要研究工作及结论如下:(1)根据弹性系统动力学总势能不变值原理以及形成矩阵的“对号入座”法则建立了风-车-桥梁空间耦合振动仿真模型和金沙江大桥有限元模型,分析了桥梁的自振频率与振型特征。结果表明,该桥一阶横弯、一阶竖弯振型频率均较低,且均为对称振型。(2)在无风条件下,考虑桥梁整体升降温与徐变变形的影响,计算了有无列车单线停靠工况下,列车单线行驶通过桥梁时桥梁、列车的动力响应。结果表明,无列车停靠工况下,三种列车单线行驶工况下桥梁刚度、列车走行性均满足规范要求;一线停靠一线行车工况下,单线停靠侧列车轴重越大结构的竖向动力响应越小。(3)通过风洞试验获得了成桥状态下单主梁与车-桥组合状态下车桥系统在不同风攻角下的三分力系数以及增设不同高度不同透风率风屏障时列车位于迎风侧所受到的侧力系数和翻滚力矩系数。结果表明,当列车位于迎风侧时其侧力系数比位于背风侧时侧力系数大,随风攻角增大迎风侧与背风侧的列车阻力系数均减小;当挡风屏高度在2～3米时列车受到的风荷载随风屏障高度增加下降趋势最为明显。(4)计算了不同风速、车速、风攻角对风-车-桥空间耦合振动系统中列车走行性的影响,并对比分析了有无风屏障下的车速阈值,结合规范限值得到了该桥的风速—车速—风攻角阈值图。计算结果表明,当桥面平均风速不高于20m/s时,列车可按设计时速140km/h通过,当风速达到25m/s时,列车应限速至100km/h,当风速达到30m/s时,应封闭桥梁禁止通行。图178幅,表44个,参考文献133篇

关键词：大跨度铁路悬索桥风-车-桥耦合振动客货混运列车走行性车速阈值

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高墩高速铁路桥梁安全监测与列车走行性分析

高墩高速铁路桥梁安全监测与列车走行性分析

作者：王高锋东南大学

学位级别：硕士

桥梁是高速铁路系统的重要基础设施,具有跨越复杂地形的能力,为我国高速铁路网的全面建设和安全运营提供了良好的线路条件。在众多桥梁形式当中,高墩桥梁在地形复杂的区域较为常见,具有结构柔性大、施工难度大、维修成本高等特点,其结... 详细信息

桥梁是高速铁路系统的重要基础设施,具有跨越复杂地形的能力,为我国高速铁路网的全面建设和安全运营提供了良好的线路条件。在众多桥梁形式当中,高墩桥梁在地形复杂的区域较为常见,具有结构柔性大、施工难度大、维修成本高等特点,其结构变形直接影响着列车运行性能。随着我国高速铁路逐渐从大规模建设阶段转为运营维护阶段,高墩桥梁的安全监测成为一项重要任务。本文围绕这一问题展开研究,首先通过有限元和多体动力学联合仿真方法建立了列车-轨道-桥梁模型,研究高墩桥梁的不利变形对高速列车走行性的影响;其次针对各不利变形分别设计了监测方法,选取多个算例和工况对所提监测方法进行验证;最后对所提监测方法进行延伸和优化。主要研究内容及成果如下:(1)基于有限单元法和多体动力学建立了列车-轨道-高墩桥梁耦合作用模型。首先分别论述了车辆、轨道、高墩桥梁3个子系统的动力学原理,通过轮轨关系和桥轨关系建立子系统间的联系,采用逆傅里叶变换法得到轨道不平顺时域样本并作为激励输入耦合系统当中;其次利用有限元软件建立轨道和高墩桥梁分析模型,利用多体动力学软件建立高速列车分析模型,并通过柔性体接口实现两类软件间的数据传递;最后对联合仿真方法的可靠性进行了验证分析,结果表明该方法可靠性较强,可用于列车走行性的分析研究。(2)研究了高墩桥梁各不利变形对列车走行性的影响规律。围绕墩顶竖向位移、梁体变形和墩顶横向位移这三种高墩桥梁频发变形展开分析,以三跨高墩高速铁路简支梁桥为研究对象,提取列车及桥梁结构的动力响应作为评价指标。结果表明,墩顶竖向位移和梁体变形作为桥梁在竖向平面内发生的变形,主要影响列车竖向加速度;墩顶横向位移会造成脱轨系数、横向加速度及轮轨横向力的数值变化,其中列车横向加速度是主要影响指标。(3)针对墩顶竖向位移和梁体变形这两种高墩桥梁竖向平面内变形分别设计了监测方法。首先推导钢轨变形与墩顶竖向位移的映射关系,构建了通过钢轨应变间接监测墩顶竖向位移的监测方法,分别验证了映射关系和监测方法的可靠性,并进一步给出了所提监测方法的传感器布置范围和简化形式。然后,结合倾角监测理论和最小二乘法原理,建立了基于倾角的梁体变形监测方法,给出了以多项式为基函数的梁体挠度曲线,将挠度理论值与通过原型试验所得的实测值进行对比,结果表明该方法具备较高的精度。(4)针对墩顶横向位移这种高墩桥梁水平向平面内变形,构建了基于桥墩应变的监测方法。首先基于形函数公式建立了应变与墩顶横向位移间的关系,通过算例研究了该方法的监测误差随各参数的变化规律,利用剪切修正系数解决了墩体长细比较小时监测误差过大的问题。结果表明该方法监测误差较小,且不随位移幅值和墩身材料参数变化,具有较强的可靠性。然后结合实际需求,研究理论单元划分、墩身高度变化对该监测方法的影响,进一步优化了等长单元划分和非等长单元划分两种情况下的传感器布置方案。本文的创新点在于:(1)基于钢轨变形和墩顶竖向位移间的映射关系,构建了通过钢轨应变间接监测高墩高速铁路桥梁墩顶竖向位移的监测方法,通过算例验证了该方法的有效性,并进一步给出了传感器布置范围以及解析式简化形式,为难以布设基准点的高铁桥梁提供了新的监测思路。(2)构建了基于应变和形函数公式的墩顶横向位移监测方法,研究了该方法随各参数的变化规律,利用剪切修正系数解决了墩体长细比较小时监测误差过大的问题,并进一步给出了传感器优化布置方案,该方法不受材料参数的影响、传感器布置灵活且具备较高的精度。

关键词：高墩高速铁路桥梁车-轨-桥耦合系统列车走行性安全监测

强风作用下超大跨度公铁两用悬索桥列车走行性研究

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强风作用下超大跨度公铁两用悬索桥列车走行性研究

作者：鞠金来中南大学

学位级别：硕士

当高速铁路需要跨越较宽的江河峡谷时,自重轻、跨越能力强的悬索桥是一种选择,同时,若公路与铁路走线一致时,超大跨度公铁两用悬索桥是一种更为经济的方案。超大跨度的悬索桥刚度较低且桥位风环境一般较为复杂,桥梁与列车均易受到强风... 详细信息

当高速铁路需要跨越较宽的江河峡谷时,自重轻、跨越能力强的悬索桥是一种选择,同时,若公路与铁路走线一致时,超大跨度公铁两用悬索桥是一种更为经济的方案。超大跨度的悬索桥刚度较低且桥位风环境一般较为复杂,桥梁与列车均易受到强风的影响,若要确保列车安全平稳的通过桥梁,就应探究列车在强风作用下的走行性。本文以荆荆铁路主跨1120m李埠长江公铁大桥悬索桥方案为研究对象,主要研究工作及结论如下:(1)根据弹性系统动力学总势能不变值原理与形成矩阵的“对号入座”法则建立了风-列车-桥梁空间耦合振动仿真模型与桥梁有限元模型,分析了桥梁的自振特性。结果表明,该桥自振频率间隔紧密且频率较低。(2)在无风条件下,考虑汽车荷载、升温与徐变附加变形的影响,进行了车-桥空间耦合振动仿真计算。计算结果表明,无风条件下桥梁刚度满足要求,具有良好的列车走行性。(3)使用计算流体力学仿真软件分析了主梁与车-桥组合状态下的流场特性,并使用风洞试验数据进行了验证。速度场与压力场的分析结果表明,斜杆、竖杆与桥面附属结构使得桁架内部漩涡较多,流场较为复杂,导致列车风压分布不均匀。(4)桥上不设置风屏障时,考虑汽车荷载与附加变形,进行了风-车-桥空间耦合振动仿真计算,研究不同风速、风攻角与车速对列车走行性的影响,得到了该桥的车速-风攻角-风速阈值。计算结果表明,0°攻角并非该桥最不利攻角;当桥面平均风速不高于20m/s时,列车可按设计时速250km通过,当风速达到25m/s时,列车应限速至175km/h,当风速达到30m/s时,应封闭桥梁禁止通行。(5)研究了桥上风屏障设置高度与位置对该桥列车走行性的影响。计算结果表明,风屏障有效保障并提高了列车运行的安全性,这种效应将随风屏障高度的增加而更加显著;并且公路外侧设置方案优于铁路外侧方案。图362幅,表26个,参考文献153篇

关键词：强风作用超大跨度公铁两用悬索桥风-车-桥耦合振动列车走行性风屏障车速阈值

桥面温度及徐变变形对连续梁框架墩桥列车走行性影响研究

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桥面温度及徐变变形对连续梁框架墩桥列车走行性影响研究

作者：邓双中南大学

学位级别：硕士

近年来在高速铁路桥梁建设中,由于跨既有线的需要,作为具有灵活跨越能力的梁桥类型,预应力混凝土连续梁-框架墩桥在高速铁路桥梁中得到较广泛的采用。但是由于徐变及温度对连续梁-框架墩桥产生的变形和预拱度影响了线路的平顺性,对高速... 详细信息

近年来在高速铁路桥梁建设中,由于跨既有线的需要,作为具有灵活跨越能力的梁桥类型,预应力混凝土连续梁-框架墩桥在高速铁路桥梁中得到较广泛的采用。但是由于徐变及温度对连续梁-框架墩桥产生的变形和预拱度影响了线路的平顺性,对高速列车通过时车桥系统的动力响应有很大的影响,所以很有必要对此进行深入研究。本文以津秦客运专线下坞蓟运河特大桥（该桥为7-16m连续梁-框架墩桥）为工程背景对考虑徐变及温度变形和桥面预拱度作用的预应力混凝土连续梁-框架墩桥进行了车桥耦合振动分析。全文主要研究内容如下： 1.综述了预应力混凝土连续梁-框架墩桥框架墩的结构体系及设计要点,简要介绍了我国高速铁路车桥振动的研究现状,说明了对预应力混凝土连续梁-框架墩桥进行车桥系统耦合振动分析并考虑预拱度、徐变及温度作用所致桥面变形曲线影响的必要性。 2.按现行铁路桥规对连续梁-框架墩桥的桥面温度变形进行了理论计算,并与试验值进行了对比分析,结果表明按照按现行铁路桥规进行桥面温度变形计算具有一定的安全裕度。 3.基于弹性系统动力学势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了列车及预应力混凝土连续梁-框架墩桥动力学有限元分析模型,并对桥梁的动力特性进行了计算分析。 4.考虑徐变及温度变形和桥面预拱度所形成的桥面组合变形影响,对预应力混凝土连续梁-框架墩桥进行了车桥耦合振动动力学仿真计算分析。结果表明：桥面组合变形曲线的不同对桥梁各项动力响应的影响不大,但对列车走行性的影响较显著,在设计时必须予以足够的重视。

关键词：徐变变形温度变形预应力混凝土连续梁-框架墩桥列车走行性车桥耦合振动