轨道不平顺短波分量对列车-简支梁桥耦合振动的影响

轨道不平顺作为车-桥耦合振动的主要激励源,直接影响桥梁及高速列车运行的安全性和舒适性.为研究轨道不平顺中短波分量对列车-简支梁桥耦合系统动力响应的影响规律,以高速铁路32m简支箱梁为例,采用德国高速低干扰轨道不平顺谱生成轨道不平顺样本,建立了列车-轨道-桥梁耦合系统空间动力学分析模型.对比分析了5种不同最短截止波长的轨道不平顺样本对耦合系统振动响应的影响规律.研究结果表明:轨道不平顺样本中1m左右的短波长分量会显著增加轮轨力、轮重减载率、脱轨系数和桥梁跨中加速度,但对桥梁跨中位移、轮轨偏移量和车辆振动加速度的影响较小;1~2m的短波长成分是引起轮重减载率超标的主要因素,减少轨道不平顺中1~2m的短波长分量可以有效提高列车行车安全性指标.     

摩擦摆支座对高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震分析

为研究摩擦摆支座(FPB)对地震下高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震作用,基于ANSYS和SIMPACK平台,建立了高速列车-多跨简支梁桥耦合系统的三维有限元模型.模型中采用104~#力元模拟FPB,将轨道不平顺和地震力作为耦合系统的激励,开展了FPB对地震荷载下车-简支梁桥耦合系统的减隔震研究.结果表明,在El Centro地震波作用下,车-桥系统的动力响应随着车速、地震强度、墩高度的增大而增大.地震强度小于0.12g时,FPB能减小车-桥系统除墩顶横向加速度以外的其他动力响应,车速越大、墩身越高, FPB的减振效果越显著;地震强度大于0.12g时,FPB会增大车桥系统的动力响应.建议在高速铁路简支梁桥减隔震设计中,墩高不宜超过16 m,摩擦摆支座的参数应根据具体桥梁进行选择.     

车桥竖向随机振动的概率密度演化分析

基于车-桥竖向耦合模型,引入不平顺功率谱随机谐和函数,采用N维超立方体点集(gp集)选取离散随机频率代表点,得到代表性轨道高低不平顺随机激励样本并进行慢变调制;建立概率密度演化方法的随机动力方程,基于MATLAB编制车桥耦合随机振动概率密度演化分析程序;采用newmark-β积分法及带TVD格式的双边差分法计算车桥振动响应的均值、标准差及时变概率密度演化分布。研究结果表明:与Monte Carlo法相比,概率密度演化法分析车桥随机振动精度更高,计算效率提高1~2个数量级;输入均匀随机分布频率和初相位的轨道不平顺激励,输出响应并非均匀分布,随车速先增加后减少,概率分布呈高斯型分布;轨道不平顺引起的系统随机响应受车速影响较大。     

新型柱板式高墩大跨度刚构桥车-桥耦合振动影响因素分析

以黄韩侯铁路线纵目沟特大桥为工程背景,建立车辆动力模型、桥梁有限元模型并考虑轮轨关系,以蛇形运动和轨道不平顺作为系统的自激激励源,利用大型有限元软件ANSYS以及UM动力学分析软件联合进行仿真分析.探讨桥梁结构刚度、行车速度、轨道不平顺以及货车编组情况等因素对新型柱板式高墩大跨度刚构桥梁车-桥耦合系统的影响.研究表明:桥梁横向刚度的减小对车-桥耦合系统的横向振动影响比较明显,对其竖向振动影响较小;桥梁竖向刚度的改变对车-桥耦合系统的竖向振动影响较为显著,对其横向振动影响较小;轨道不平顺的增加将导致车-桥耦合系统振动明显加剧;空载货车的横向稳定性较重载货车的弱,易发生脱轨事故.     

多种垂向轮轨关系的对比及改进的车-线-桥系统迭代模型的建立

对比分析非线性赫兹接触、线性赫兹接触、刚性接触这3种轮轨接触模型对车-线-桥垂向耦合系统动力分析结果的影响,并建立改进的车-线-桥耦合系统迭代计算模型。车辆模型采用多体系统动力学建立,轨道-桥梁模型采用有限元方法建立,根据不同的轮轨接触模型,建立相应的轮轨力计算公式,并采用分离迭代法计算耦合系统振动响应。在数值算例中,以高速列车通过5跨简支梁桥为计算背景,对不同轮轨接触模型的仿真计算结果进行对比分析。针对传统车-线-桥耦合系统迭代计算模型计算效率低的问题,建立改进的迭代计算模型。研究结果表明:线性赫兹接触模型与非线性赫兹接触模型得到的车体加速度、轮轨力、钢轨和桥梁的位移和加速度均较吻合,但前者的计算效率较低;忽略轮对惯性力的刚性接触模型无法得到准确的钢轨和桥梁加速度;改进模型通过建立包含轮轨接触弹簧的车辆模型来提高车辆子系统的迭代稳定性,其计算效率比传统模型提高近7倍;为保证计算结果的准确性,车-线-桥耦合振动计算中应考虑时间步内的迭代计算。     

基于动柔度法的车-线-桥垂向耦合振动分析

利用动柔度的思想建立高速铁路车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学频域模型。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;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,扣件系统和CA砂浆层用线性弹性阻尼单元模拟,从而建立线-桥垂向动力相互作用系统,利用动柔度的思想求得线-桥垂向动力相互作用系统的动柔度;利用线性化Hertz接触理论,将车辆系统与线-桥垂向动力相互作用系统耦合成车-线-桥垂向耦合振动模型。分别求解单位简谐激励、轮轨几何粗糙度激励下的轨道系统和桥梁结构的动力学响应,最后结合虚拟激励法求解轨道谱激励下的轨道系统和桥梁结构的随机振动响应。研究结果表明:利用动柔度思想建立的频域车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,具有逻辑清晰、求解快速的特点,能够直接求解系统在频域的动力学响应。     

车轨桥振动系统垂向模型和空间模型的比较

分别建立了车辆-轨道-桥梁系统的垂向耦合振动模型和空间耦合振动模型,并通过功率普密度得到轨道高低不平顺的时域模拟样本,以其作为激励,分析两种模型下车辆-轨道-桥梁耦合振动系统的振动响应。通过对比相同轨道高低不平顺激励下垂向振动模型和空间振动模型的垂向振动响应计算结果,分析了两种模型的优缺点和适用性。     

基于ANSYS和SIMPACK联合仿真的大跨钢箱提篮拱桥车-桥耦合振动分析

为高效求解高速铁路大跨钢箱提篮拱桥车-桥耦合振动特性,并考虑列车系统弹簧阻尼系与轮轨接触的非线性特征,充分利用ANSYS和SIMAPCK软件平台各自优势,提出了一套可高效求解复杂车桥耦合系统的分析方法。该方法利用ANSYS作为前处理,建立大跨钢箱提篮拱桥精细化有限元模型,运行Lanczos法进行模态分析,再利用HBMAT命令提取桥梁关键模态信息作为关键输入文件,而列车与轮轨接触在SIMPACK平台构建。通过SIMAPCK读取ANSYS输入的关键数据文件,建立车桥耦合分析的动力学模型。运用SIMPACK中的有限元接口模块(Flex Modal)构建一个质量可以忽略的虚刚体实现列车与桥梁的耦合。最后,以实测南广(南宁—广州)铁路西江特大桥动力响应数据为分析样本,通过计算值与实测值的对比,验证提出的方法的可靠性。结果表明:基于ANSYS和SIMPACK的联合仿真是开展车-桥耦合振动研究的有效方法;由轨道不平顺或轮对蛇行运动引起的周期性激励可能引发横向共振,而发生竖向共振的可能性较小;桥梁结构横向振幅由于受车辆偏载影响较大,单线行车的横向振幅大于双线行车;受激励频率的影响,竖向舒适度指标和加速度可能不随车速单调递增;脱轨系数、轮重减载率、竖向舒适度指标和加速度受活载导致的竖向振动影响较大,而横向舒适度指标和加速度则受偏载效应影响较大。研究结果可为类似桥梁的动力设计提供参考。     

基于精细有限元法的车致大跨度斜拉桥整体及局部振动研究

为研究列车-大跨度板桁结构斜拉桥耦合振动引起的整体与局部振动响应问题,提出了基于车-桥耦合动力学的数值分析方法.首先建立桥梁结构精细化三维有限元模型,并由直接刚度法建立桥梁子系统动力方程;列车采用31自由度刚体动力学模型,轮轨之间分别采用赫兹非线性接触模型和非线性蠕滑力模型计算法向力和蠕滑力;利用自主开发软件TRBF-DYNA开展车-桥耦合系统加速度、动位移以及动应力分析.以主跨406m的三塔斜拉桥荆岳铁路洞庭湖大桥为研究对象,开展了不同行车线路、不同车速以及不同轨道不平顺条件下的耦合系统动力响应分析,研究了桥梁整体和局部动力响应,以及列车运行安全性指标和乘坐舒适性指标的变化规律.结果表明:正交异性钢桥面板的局部动力响应远大于钢桁架主梁;大跨度斜拉桥的动力系数较小,受车速和轨道不平顺谱的影响较小;钢桁架主梁下弦杆和腹杆处于高周疲劳应力工作状态,在疲劳性能研究中需要特别关注;设计速度条件下,桥梁动力响应指标以及列车运行安全性和舒适性指标均满足规范要求.     

多荷载作用下上海长江大桥列车走行性

为研究上海长江大桥在风、汽车荷载、温度、道路不平顺多因素影响下的列车走行性,将其视作温度变形、公路与轨道不平顺作用下的风-车-桥耦合动力系统。建立桥梁、列车车辆、不同类型汽车的有限元模型,采用模态叠加法进行车-桥动力计算。计算中运用随机交通流模型模拟公路交通流,采用文献中针对该桥风洞试验测定的主梁及车辆的气动参数,并将年温差引起的桥梁变形叠加到轨道和路面随机不平顺中。采用自编车-桥耦合计算软件VBC进行风-车-桥耦合动力分析。分别考虑了有无风荷载作用下温度荷载、汽车车流类型和列车运行方式的影响,并对多荷载作用组合下的极限状况进行讨论,分别考虑了列车空员、定员和满员3种不同载重的影响。最后,根据不同车速和风速组合下的计算结果,确定轮对横向力为列车走行性的控制指标,并提出了列车安全、舒适运行的管理原则。研究结果表明:年温差和汽车车流对列车动力响应的影响并不明显,列车响应随车速、风速的增大而增大;列车相对于风向的运行方式对列车走行性也有很大影响;在较高风速下,单线列车迎风侧行驶为列车的最不利运行方式;当风速小于20 m/s时,最高运营车速可达到90 km/h;当风速大于20 m/s且不超过25 m/s时,运营车速应小于70 km/h;当风速超过25 m/s时,应当封闭轨道交通。     

考虑土-结构相互作用的车桥系统耦合振动分析

列车提速加剧了车桥系统的耦合振动，为此结合天津轻轨工程分析了考虑土一结构相互作用（SSI）效应的车桥系统的耦合振动．分别建立了考虑SSI效应和不考虑SSI效应（即墩底固接）的车桥系统耦合振动的分析模型．在车桥系统模型中，建立了27个自由度的车辆模型；在桥梁模型中采用空间梁单元进行模拟；在考虑SSI效应中，以弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，将群桩基础等效简化为弹性地基梁．对天津轻轨工程一座四跨预应力混凝土连续刚构桥的数值仿真分析结果表明，考虑SSI效应，对桥梁结构的横向和扭转角位移响应影响显著，而对桥梁结构的竖向和纵向位移响应影响不大，其中横向位移最大增幅达90％，扭转角最大增幅接近38％．可见，处于地基软弱地区的铁路桥梁，SSI效应会对车桥系统的耦合振动产生不容忽视的影响．     

列车一斜拉桥系统在风载作用下的动力响应

主要研究脉动风与列车荷载同时作用下斜拉桥的横向振动问题。首先建立了横风作用下并考虑了轨道不平顺和车辆蛇行的车桥系统动力分析模型，推导了体系平衡方程组，编制了有关的计算机程序；根据Ｄａｒｖｅｎｐｏｒｔ风速功率谱模拟产生脉动风样本，并将其作为系统的随机激励，在计算机上模拟列车过桥的全过程，按不同车速计算了桥梁跨中和桥塔的横向位移、加速度以及桥上车辆的横向振动加速度响应。以一铁路斜拉桥为例，着重讨论了在正常使用极限状态下当风速小于３０ｍ／ｓ时的车桥系统动力响应的一些问题。     

列车随机激励下铁路站房结构振动响应分析

列车激励模拟是铁路站房结构振动响应分析首先要解决的问题,目前站房结构振动响应分析中列车激励时程多采用简单列车模型或典型频率谐载组合进行模拟.根据车辆随机振动理论,考虑完整的轨道不平顺谱和轮对间轨道输入相关性,模拟得到基于二系悬挂10自由度列车模型的列车随机激励时程,通过与现有实测数据及模拟时程对比,验证了所得激励时程时频域内的合理性.进行列车随机激励下天津西站大跨度站房结构振动响应分析,研究结构各层振动响应的频谱特性及RMS评价,结果表明：候车厅层振动卓越频率位于人体对竖向振动的最敏感频率范围内,应注意其对人体舒适度的影响.     

变速车辆与桥梁的耦合振动及其TMD控制

在车辆变速与路面粗糙条件下,推得安装调质阻尼器(TMD)前、后的车桥耦合系统的无量纲运动微分方程.作为其特例,研究了匀变速车辆与路面粗糙弹性支撑桥梁的耦合系统,讨论了车辆的加速度、初速度、弹性支撑刚度以及随机路面粗糙度对桥梁跨中无量纲最大挠度的影响,并对耦合系统发生共振时进行TMD控制.数值计算结果表明,车辆的加速度、初速度、弹性支撑刚度以及随机路面粗糙度对桥梁的影响均很大而不能忽略;TMD明显地减小了共振振幅.     

基于车-椅耦合的转向架垂向悬挂系统阻尼比协同优化

针对高速列车转向架垂向悬挂系统中存在的阻尼匹配问题,根据1/4车体-座椅垂向行驶振动模型,利用Matlab/Simulink建立了转向架垂向悬挂系统阻尼比协同优化设计仿真模型.以人体振动舒适性最佳为目标,建立了转向架一系和二系垂向悬挂系统阻尼比协同优化设计数学模型.以轨道高低不平顺作为输入激励,以一系及二系悬挂垂向行程和一系悬挂动静态力之比为约束条件,建立了基于转向架车体-座椅耦合的转向架垂向悬挂系统阻尼比协同优化设计方法.通过设计实例及仿真验证可知,优化后高速列车的乘坐舒适性显著提高,座椅垂向振动加权加速度均方根值降低了21.7%,表明所建立的优化设计方法是正确的.     

地铁二系垂向悬挂系统最佳阻尼比的解析计算

针对地铁二系垂向悬挂系统的阻尼匹配问题,提出了一种悬挂系统最佳阻尼比的解析计算方法.基于国内外几种典型轨道谱分析,利用曲线拟合方法构建适用于车辆运行平稳性理论分析的轨道高低不平顺输入模型;根据1/4车体3自由度垂向振动模型,以车体振动加速度的均方值最小为目标,利用随机振动理论和留数定理建立了地铁二系垂向悬挂系统最佳阻尼比的解析计算模型,并通过实例计算及仿真加以验证.结果表明,阻尼比的解析计算值与仿真值的最大相对误差仅为2.55%,从而验证了所建立的地铁二系垂向悬挂系统最佳阻尼比解析计算模型的正确性.     

高速列车运行引起的地表振动分析

把轨道作为弹性地基上的梁，得到轨枕与道床之间的动反力，采用薄层法求得分层土体的稳态响应，建立了运行车辆-轨道-环境振动模型，首次对秦沈高速铁路列车运行产生的沿线地基的振动响应进行了分析与对比．分析表明：移动轴重作用率对加速度频谱起控制作用，在其附近出现峰值；加速度随列车速度的提高缓慢增加，当列车速度接近地表的瑞利波速时，会引起振动放大现象；理论模型能很好地预测近场的振动响应．     

列车通过连续钢桁梁桥时的动力响应研究

将列车-连续钢桁梁桥视为一个耦合的整体系统,采用桁段有限单元对连续钢桁梁桥进行离散,每节车辆采用具有21个自由度的二系弹簧车辆空间振动模型,列车与连续钢桁梁桥通过轮轨相互作用关系进行动力耦合,应用弹性系统动力学总势能不变值原理,建立列车-连续钢桁梁桥时变系统的整体振动方程;采用直接积分法计算了列车以不同速度通过2座连续钢桁梁桥时的桥上列车振动响应全过程,分析计算所得结果,可以得出2座桥梁行车安全的结论.