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原文传递风-列车-线路-桥梁系统耦合振动研究

论文题名：	风-列车-线路-桥梁系统耦合振动研究
关键词：	铁路桥梁;高速列车;车桥耦合;桥梁振动
摘要：	高速铁路大跨度桥梁的增多，使得列车在特大跨度桥上遇到强风作用的机率越来越高。因此，横风作用下行车的安全性和舒适性、线桥结构的安全性等问题也越发突出，但目前这方面的研究还很少。本文在国内外研究成果的基础上，全面考虑了风、列车、轨道和桥梁四个因素，提出了一种较为完善的风-列车-线路-桥梁系统耦合动力分析模型，并编制了相应的桥梁动力分析软件WTTBDAS。该模型全面考虑了风-桥相互作用、风-车相互作用、轮-轨相互作用，桥-轨相互作用，较为真实地反映了风、列车、桥梁之间的气动耦合作用关系以及列车、轨道和桥梁之间的几何、力学耦合关系及整个系统的时变特性。　　本文首先建立了比较完善的高速铁路四轴车辆模型，将车辆视为包含一个车体、两个转向架和四个轮对的多刚体系统，每个刚体均考虑横向、垂向、侧滚、摇头、点头自由度，共35个自由度，同时考虑了车辆悬挂系统的各种非线性因素；建立了有碴轨道、长枕埋入式无碴轨道动力学模型，钢轨模拟成离散弹性点支承基础上的无限长Euler梁，轨枕及离散后的道床视为刚性质量块；采用有限元法建立桥梁的动力学模型。其次介绍了轨道不平顺、脉动风速场的模拟方法，讨论了风、列车、线路和桥梁四个子系统间的相互作用关系。轮轨相互作用采用了新型的动态轮轨关系，可以考虑轮轨之间的弹性接触变形和轮轨瞬时脱离，采用Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨间的法向力；风桥、风车相互作用考虑了车辆位置和桥道间气动系数的相互影响，考虑了桥梁上的静风力、抖振力和自激力，车辆上的静风力和抖振力。采用显式和隐式相结合的混合积分法进行风-车辆-线路-桥梁系统动力方程的求解，编制了相应的计算程序WTTBDAS，采用多种数值算例和试验结果对其功能和可靠性进行了验证。最后以一座跨径布置为65+221+560+221+65m的高速铁路特大跨度斜拉桥方案为工程背景，从车辆运行速度、单双线行车、车型、轨道结构型式、轨道不平顺等方面对车辆-轨道-桥梁系统的动力响应进行了分析。在横风作用下，详细讨论了不同风荷载、风速大小、列车运行速度等因素对风-列车-线路-桥梁系统的动力响应的影响，并对风速阀值的确定方法做了介绍。　　本研究完善了目前横风作用下的车桥耦合振动分析模型，拓展了现有车线桥耦合振动分析模型的应用范围。研究表明：⑴不同车型对系统的动力响应规律不完全相同，不同车辆对系统动力性能的影响除了静轴重以外，还与列车车轴弹簧阻尼情况、空气弹簧弹性系数等多种参数有关。⑵有碴轨道和无碴轨道结构型式对系统的响应有一定的影响，但均能满足特大跨度桥梁高速行车的要求。⑶轨道不平顺对桥梁的位移影响很小，但对桥梁的加速度响应有一定的影响；轨道不平顺对车辆和轨道结构的动力响应影响很大。⑷无风时，车辆运行速度对桥梁、轨道和车辆的动力响应影响均很大；单、双线行车对桥梁的影响较大，而对车辆和线路结构的动力响应影响较小。⑸桥梁上的静风对桥梁的位移有较大的影响，对桥梁加速度、轨道和车辆的动力响应影响很小；车辆上的静风力对系统的垂向响应影响不大，但对横向响应影响很大；风的脉动成份对系统的影响较大；考虑风的作用能显著增加系统的动力响应。⑹车辆、轨道和桥梁系统的动力响应总体上随着风速的提高而变大，特别是风速较高(大于20 m/s)时，变化幅度很大。⑺当风速为25 m/s时，车速变化对跨中横向位移影响较小，而对桥梁竖向位移和竖向加速度、脱轨系数、轮重减载率等其它指标均有较大的影响。
作者：	刘德军
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	强士中;李小珍
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文