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原文传递高速车辆-桥梁耦合振动与高架桥梁结构噪声预测研究

论文题名：	高速车辆-桥梁耦合振动与高架桥梁结构噪声预测研究
关键词：	铁路桥梁;桥梁结构;轮轨耦合;耦合振动
摘要：	由于高速铁路在我国快速的发展和桥梁结构在我国高速铁路线路中占比高等原因，高速列车通过高架桥梁时引起的桥梁结构振动和噪声辐射问题已成为人们关注的行业热点问题之一。分析桥梁结构的振动和噪声辐射，对于确保桥梁使用与安全，提高乘坐舒适性，降低高速铁路运营引起的振动和噪声对沿线居民和结构建筑的影响有重要的理论价值和工程应用价值。本文以高速铁路简支箱梁桥为研究对象，建立考虑轨道结构参振的车桥垂向耦合振动模型和高架箱梁桥结构声学分析模型以分析桥梁结构的振动和噪声辐射。　　本研究首先建立高速列车车辆-轨道-桥梁耦合动力学系统。将车辆看作具有10自由度的多刚体系统，推导出车辆系统的动柔度；扣件系统和CA砂浆层用线性弹性阻尼单元模拟。将钢轨看作无限长Timoshenko梁、轨道板简化为自由-自由的Euler梁、桥梁简化为简支Euler梁，从而将轨道-桥梁相互作用系统简化为叠合梁模型，再利用动柔度的思想求得轨道-桥梁相互作用系统叠合梁模型的动柔度；随后进一步将轨道板简化为四边自由的kirchhoff薄板模型，用有限元方法建立桥梁结构的有限元模型，从而建立了三维的轨道-桥梁相互作用系统。通过轮轨相互作用关系将车辆子系统和轨道-桥梁相互作用系统耦合成车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型。然后利用高速列车车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型，求解轮轨几何不平顺激励下的垂向轮轨动态相互作用力和轨道、桥梁结构的动力学响应。又利用虚拟激励法分析了轮轨随机不平顺激励下轨道和桥梁结构的随机振动。最后利用有限元/边界元法，以轮轨几何不平顺激励下的垂向轮轨动态相互作用力作为载荷，求解桥梁结构有限元模型的动力学响应，再以桥梁结构有限元模型的动力学响应为边界条件分析桥梁结构的噪声辐射特性。　　本研究表明：桥梁结构的整体振动模态主要集中在低频段；在较高的频域范围，桥梁主要以局部振动模态为主，且主要以翼板的阵型为主。板壳单元能够很好的反映包括顶板、腹板、底板的局部模态阵型，因此适合用于桥梁结构的振动及噪声辐射分析。随着频率的增加，钢轨的垂向动柔度幅值大于轨道板的动柔度幅值，轨道板的动柔度幅值大于桥梁的动柔度幅值。整个频率范围内，钢轨的动柔度相位角始终处于负值，而轨道板与桥梁的动柔度相位变化比较复杂，特别是在1000Hz以上随着频率的增加呈现较为明显的震荡趋势。钢轨振动沿纵向的衰减率变化较简单，在1000Hz以下衰减较明显而在1000Hz以上衰减较小，轨道板和桥梁的振动沿纵向的衰减率变化较复杂。在车速为250km/h时，在轮轨几何不平顺激励下或在德国低干扰谱及Sato谱激励下，车体的垂向振动加速度主要集中在10Hz以下的低频段。钢轨垂向振动加速度主要集中在500~3500Hz频段，特别是1000Hz左右，而在低频段很小；轨道板的垂向振动加速度主要集中300Hz~1500Hz的中高频段；桥梁垂向振动加速度主要集中在300Hz以下的低频段，在300Hz以上几乎为零。钢轨吸振器在其前两阶共振频率附近对轨道-桥梁相互作用系统的垂向振动产生较明显的影响，其他频段几乎不产生影响。总体上，钢轨吸振器对钢轨的振动影响是最大的，对轨道板的影响次之，对高架桥梁的影响最小。桥梁结构噪声的声场分布在桥面上方较桥梁底板下方更有规律性，且桥面上方声场声压总体上也较桥梁底板下方的大；随着离桥梁结构的距离增加，声场场点的声压值减小，且声场分布也越来越复杂。在低频段，声场分布较简单，随着频率的增加声场分布也越来越复杂，在高频区域，声场分布出现分层现象。总体上而言随着场点距离桥梁结构距离的增加，声压减小，特别是在70Hz左右以下频段，这种变化趋势呈现较明显的线性关系；各场点声压在50Hz左右达到最大值；随着频率的增加各场点声压出现波动变化，场点间的声压差值也不再是简单地随着距桥梁距离的增加而减小，而是变得比较复杂。
作者：	杨建近
专业：	车辆工程
导师：	石广田;杨新文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文