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原文传递高速铁路桥墩沉降对行车性能影响的研究

论文题名：	高速铁路桥墩沉降对行车性能影响的研究
关键词：	铁路桥;桥墩沉降;动力学指标;行车安全性
摘要：	自2008年京津城际铁路开通以来，中国高速铁路得到了飞速的发展，作为重要基础设施之一的桥梁结构也随之得到了广泛应用。与此同时，随着中国地下水、石油、天燃气等资源的开采，中国很多地区均出现了基础结构的沉降现象，且沉降范围也越来越大。在这种情况下，桥墩沉降在所难免。桥墩一旦发生沉降，将直接导致铺设在桥面上的轨道结构发生变形并最终导致轨道平顺性变差，当列车以高速通过时，其动力学性能将会受到影响，严重时还可能会威胁到行车安全性。因此，为了保证高速列车的安全平稳运营，本文分析了桥墩沉降对高速列车-轨道-桥梁系统的影响，并从动力学的角度给出了高速铁路桥墩沉降的安全控制值，以期为高速铁路的前期设计及后期运营维护提供一定的理论依据。　　首先，基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论，建立了考虑桥墩沉降的高速列车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型。模型中包括高速列车、无砟轨道以及桥梁三个子模型，并采用完善的空间轮轨相互作用关系和桥轨相互作用关系将其进行连接。其中，车辆结构采用35自由度的空间车辆模型，并采用多体动力学理论进行建模。轨道结构和桥梁结构则采用有限元方法进行模拟，轨道类型考虑了国内高速铁路中常用的无砟轨道形式，桥梁结构着重考虑不同跨度的简支箱梁。桥墩沉降在本模型中共有两种考虑方式:①考虑为轮轨界面处的附加轨道不平顺;②考虑为墩底的竖向位移约束。　　其次，基于Fortran开发平台编制了车辆及轮轨相互作用的计算程序，并在ANSYS平台中建立了不同类型轨道-桥梁有限元模型，通过编制两平台之间的接口程序实现了轮轨力及轮轨相对位移等数据的传递，保证了计算的同步性。鉴于本模型采用了两个计算平台进行联合仿真，因此在数值求解时采用了显—隐式混合积分的方法。之后，采用商业软件UM、专业软件TTBSIM、以及现场实测数据分别对该模型进行了全面的验证。　　然后，采用解析方法，在分析桥墩沉降如何影响钢轨变形的基础上，针对不同无砟轨道-桥梁系统，推导了各系统中桥墩沉降与钢轨变形的映射关系。与此同时，建立了相应的有限元模型，并与推导的解析表达式进行了对比验证。　　在上述研究工作的基础上，建立了单墩沉降模型和多墩沉降模型，分别分析了桥墩沉降对不同无砟轨道-桥梁系统静态特性以及高速列车通过沉降区域时系统动力特性的影响规律。结果表明，桥墩沉降会加剧轨道结构变形及层间相互作用;长跨度桥梁能减弱桥墩沉降带来的影响;对于双块式无砟轨道系统以及单元板式无砟轨道系统，桥墩沉降主要影响车体垂向加速度以及轮重减载率等车辆动力学指标，而对于纵连板式无砟轨道，桥墩沉降除影响上述动力学指标外，对轨道板和底座板等混凝土部件的结构应力也会产生巨大的影响;在不发生结构破坏的前提下，纵连板式轨道比另外两种轨道更利于减弱沉降对系统的影响。除此之外，通过对两种桥墩沉降模型的对比，建议多墩沉降模型用于求解连续多桥墩不均匀沉降条件下的结构变形及系统动力学特性，而单墩沉降模型则更适用于桥墩沉降对系统影响的规律性分析。　　最后，详细考虑了影响桥梁竖向力学行为的各种因素，包括结构自重、预应力、混凝土收缩和徐变效应、列车作用、温度效应、以及轨道不平顺，分析了多因素对车轨桥系统的影响并在此基础上提出了高速铁路桥墩沉降安全控制值。结果表明，上述各因素对车轨桥系统的动力性能具有较大影响，在分析桥墩沉降安全值时，应对其进行综合考虑;双块式无砟轨道和单元板式无砟轨道系统中，控制桥墩沉降安全值的动力学指标为车体垂向加速度及轮重减载率，而对于纵连板式无砟轨道，控制指标则为轨道结构应力;在考虑多影响因素的条件下，对于铺设非纵连板式无砟轨道的静定桥梁系统，其桥墩沉降不应大于12.7mm;而对于铺设纵连板式无砟轨道的静定桥梁系统，桥墩沉降安全值建议取7.7mm。
作者：	陈兆玮
专业：	车辆工程
导师：	翟婉明
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文