详情

原文传递长大重载列车与桥梁纵向动态相互作用机理及荷载参数研究

论文题名：	长大重载列车与桥梁纵向动态相互作用机理及荷载参数研究
关键词：	重载铁路;有砟轨道;无缝线路;梁轨相互作用;制动力率
摘要：	随着我国重载铁路的不断发展，开行长大编组列车并采用无线同步操控技术、提高重载列车轴重是进一步提高重载铁路运能的重要途径。随着列车轴重的提高，作用于线路、桥梁上的荷载也相应增大。以往研究中对于轴重增大而引起的轨道、桥梁垂向受力变形机理问题研究较多，但对于采用于同步操纵技术以及轴重提高所引起的轨道、桥梁纵向受力增大问题关注较少。我国既有桥梁设计方法中对于纵向荷载的取值通常按竖向活载的10%进行选取，但实际运营中已出现个别桥梁因纵向承载力不足而发生病害的情况，说明现行设计方法中给出的荷载参数已不具备较大的安全储备量。在作用于桥梁的纵向荷载进一步增大、桥梁原有设计方法安全储备量下降等因素共同作用下，会导致桥梁出现纵向承载力不足问题，影响运输安全。此外，目前用于桥梁纵向受力改善的相关方案及工程案例也相对较少。针对上述问题，本文以长大重载列车与桥梁的纵向相互作用为研究对象，通过理论分析、数值仿真及现场测试等多手段的综合运用，系统研究了列车与桥梁的纵向动态作用机理，明确了桥梁纵向设计荷载关键参数取值，提出了针对重载铁路桥梁结构的纵向传力优化措施并进行了现场验证。以我国重载铁路主型32m简支梁桥为例开展研究，本文开展的研究如下：　　（1）制动条件下重载列车纵向冲动作用传递机制　　建立了长大编组重载列车纵向动力学仿真分析模型，该模型可以细致考虑列车编组模式、操纵方式、制动缸升压及制动传播时间等因素对于重载列车纵向冲动作用特性的影响。利用该模型，系统分析了列车运行条件、不同形式车钩、车辆编组给列车带来的纵向冲击，从理论角度论证了轨面制动力率取0.164的合理性。　　（2）重载铁路轨道-桥梁系统纵向力学传递特性　　考虑轨道-桥梁系统中的非线性作用，建立了重载铁路轨道结构-桥梁三维耦合静力仿真模型，分析了ZH荷载图式以遍历形式从车头进桥至车尾出桥全过程下轨道、桥梁纵向力分布特征，研究了桥梁跨数、线路纵向阻力、桥墩刚度、列车轴重等因素对梁轨相互作用的影响规律。桥墩承受纵向力随上部列车荷载的增大而进一步增大，在30t轴重条件下，桥墩承受的纵向荷载为桥跨竖向荷载的12%，超过现行规范中规定的10%限值。　　（3）重载列车-轨道-桥梁纵向动态作用及影响因素　　基于车辆-轨道耦合动力学、结构动力学及刚柔耦合理论，以轮轨相互作用为纽带，将长大编组列车与下部轨道-桥梁-墩台系统的动力学方程进行耦合，建立了长大编组重载列车-轨道-桥梁空间耦合动力学精细化仿真分析模型，并结合现场试验对模型的可靠性进行了验证。利用该动力学分析模型，揭示了列车启/制动下轨道及桥梁的纵向动态传力机理，分析了编组模式、制动档位与同步操纵制动、列车轴重等因素对于桥梁纵向受力的影响规律。　　（4）桥梁纵向设计荷载参数及纵向传力优化措施研究　　针对新建重载铁路桥梁设计，提出了更高轴重下用于梁轨相互作用分析的有效制动力率取值建议值，并结合现场列车制动试验对该值合理性进行了验证。针对既有重载铁路，利用重载列车-轨道-桥梁空间耦合精细化动力模型，对采用速度锁定器改善墩台纵向受力措施的有效性以及速度锁定器合理参数取值进行了研究，并对采用速度锁定器后桥墩纵向力的改善效果进行了现场试验验证。通过上述研究，为我国重载铁路新建线路设计以及既有线路桥梁纵向受力改善提供数据支撑。
作者：	魏峰
专业：	道路与铁道工程
导师：	高亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2020