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原文传递高墩高速铁路桥梁安全监测与列车走行性分析

论文题名：	高墩高速铁路桥梁安全监测与列车走行性分析
关键词：	高速铁路桥梁;变形机制;安全监测;列车走行性
摘要：	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。
作者：	王高锋
专业：	土木工程;防灾减灾工程及防护工程
导师：	徐赵东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021