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原文传递大跨度高低塔轨道斜拉桥车轨桥耦合振动特性研究

论文题名：	大跨度高低塔轨道斜拉桥车轨桥耦合振动特性研究
关键词：	斜拉桥;轨桥耦合作用;振动特性;行车模式;刚度差异;动力响应
摘要：	我国城市轨道交通正处于蓬勃发展阶段，各种结构新颖、形式复杂的大跨径桥梁相继出现。高低塔斜拉桥这类非对称的超静定结构，由于其能更好地适应环境、地形条件，受到广大工程师的青睐。然而，这类非对称的超静定结构会引起桥梁沿线路方向出现较大的刚度不均匀性，导致线路的附加刚度不平顺。与此同时，随着轨道桥梁运营时间增长，在轮载反复作用以及各种桥梁系统激励（如收缩徐变、温度作用等）综合影响下，桥梁主梁线形会逐渐演化，同样铺设在桥面上的轨道结构也会随之产生竖向位移，因此钢轨线形也会出现相应的恶化。轨道几何随机不平顺、附加刚度不平顺以及附加几何不平顺会恶化轮轨非线性接触状态，进而加剧轮轨耦合振动行为，严重时会影响到大跨轨道斜拉桥上运营列车的乘坐舒适性以及运行安全性。大跨度高低塔斜拉桥车轨桥耦合振动问题愈加突出，对设计及运营也提出了更高的要求。因此，为了保证地铁列车在大跨度高低塔轨道斜拉桥上安全平稳运营，本文以南纪门轨道专用桥为依托，针对城市轨道交通中铺设三种类型无砟轨道的列车-轨道-高低塔斜拉桥耦合系统，考虑收缩徐变与温度作用等影响因素，开展了大跨高低塔轨道斜拉桥车轨桥耦合振动特性研究，并提出适用于大跨高低塔斜拉桥轨道结构类型。主要研究内容和结论如下：　　（1）基于车轨桥动力相互作用理论，并结合有限元方法，建立了精细的地铁列车-无砟轨道-斜拉桥耦合动力学模型。该耦合模型包括地铁列车、无砟轨道以及斜拉桥三个子模型，采用轮轨空间动态耦合模型来描述轮轨关系，以考虑无砟轨道与斜拉桥连接处为节点自由度耦合来作为桥轨关系。针对上述地铁列车-无砟轨道-斜拉桥动力相互作用模型，采用显隐式混合积分方法对其进行求解，并采用商业软件SIMPACK对该模型有效性进行验证。　　（2）研究不同行车模式下大跨度高低塔斜拉桥车轨桥系统动力响应，剖析列车速度、列车编组、列车行驶方向等因素对车轨桥系统动力响应的影响规律。结果表明：随着列车运行时速的逐渐增大，列车的各项动力响应也逐渐增大，但是均远小于规范限定标准。随着车速提高，桥梁跨中位移逐渐增加，而竖向振动加速度明显增大。列车编组形式对车辆动力响应基本无影响，而桥梁动力响应结果有较明显变化。跨中竖向动位移对列车编组数更敏感，跨中竖向振动加速度对列车速度更敏感。不同行驶方向过桥对车辆动力响应的影响很小。列车以不同方向行驶过桥时，桥梁动力响应结果变化明显。　　（3）针对斜拉桥高低塔两侧桥梁刚度差异问题，先剖析其对车轨桥系统动力响应影响规律，后开展高低塔斜拉桥刚度非对称特性与列车动态性能内在关系研究。结果表明：列车驶过高低塔两侧时，轮对垂向力和脱轨系数差值并无明确变化规律且数值较小，但轮重减载率和车体竖向加速度差值较大，且随时速增大而加剧，会对列车行驶的安全和舒适度造成明显的影响。矮塔侧观测点的竖向动位移幅值比高塔侧相应观测点位移幅值最大高出50%，矮塔侧观测点的竖向加速度幅值比高塔侧相应观测点加速度幅值最大高出140%。总体上，矮塔侧主梁各位置处的振动较高塔侧更大。列车不同时速等级下，主梁刚度不均匀引起附加刚度不平顺曲线对里程的二阶导数和列车轮重减载率、轮轨垂向力及车体竖向加速度等车辆动力学参数均呈正比关系。　　（4）采用推导解析表达式的方式，分别针对整体道床轨道-斜拉桥与钢弹簧浮置板轨道-斜拉桥系统，推导了不同系统中桥梁系统激励下斜拉桥主梁变形及其与钢轨变形之间的映射关系，剖析了不同系统中各作用下桥轨的传力机制。　　（5）采用本文建立的车轨桥耦合动力学模型，研究桥梁系统激励对列车-钢弹簧浮置板轨道-斜拉桥耦合动力响应影响，剖析高低塔主跨侧不同轨道结构动应力差异规律。结果表明：桥梁系统激励单独或综合作用时，车轨桥系统各动力响应变化规律一致。考虑桥梁系统激励时车辆各项动力响应均增大，其中脱轨系数最大增幅为7.0%；轮轴横向力增幅为2.8%；轮重减载率增幅为5.3%；车体竖向振动加速度增幅为6.7%；车体横向振动加速度最大增幅为2.8%。桥梁系统激励对轨道结构位移、加速度及桥梁动力响应影响较小。　　（6）开展桥梁系统激励不同轨道型式下车轨桥动力响应对比分析，基于车轨桥耦合动力学，提出了适用于大跨高低塔斜拉桥轨道结构类型。结果表明：就车辆、轨道结构位移及加速度等动力响应而言，桥梁系统激励钢弹簧浮置板轨道型式下最大，整体道床轨道型式下最小。就桥梁动力响应而言，规律与之相反。考虑综合作用时，整体道床轨道结构轨道板动应力最大，钢弹簧浮置板轨道结构轨道板动应力最小。整体道床轨道结构轨道板动应力最大接近2.9MPa，超过了其混凝土轴心抗拉强度值2.7MPa，说明该种类型轨道与大跨轨道斜拉桥兼容性较差。在地质环境允许和除特殊减振要求下，梯形轨枕无砟轨道可作为大跨轨道斜拉桥最佳选择。
作者：	吴月星
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	张劲泉;周建庭
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2021