考虑行波效应的车桥系统地震响应分析

借助虚拟激励法,本文研究了非一致水平地震作用下三维车桥耦合时变系统的非平稳随机振动问题。通过轮轨间位移协调关系将列车和桥梁运动方程进行耦合,建立了考虑行波效应的多点地震激励下列车-桥梁时变系统运动方程。水平地震激励假设为均匀调制多点异相位完全相干随机激励;轨道不平顺激励假设为多点异相位完全相干平稳随机激励。采用时变系统的虚拟激励法将这些随机激励分别转化为一系列虚拟的确定性激励,然后通过数值积分求解相应的虚拟响应,进而方便地得到系统随机响应的时变功率谱密度函数和标准差等。数值算例中,通过Monte Carlo法验证了本文随机振动分析方法的正确性和有效性,并讨论了地震波视波速、场地土条件等对系统随机响应的影响。     

地震作用下高速铁路车-线-桥耦合系统动力响应分析

地震激励对高速车辆-简支箱梁桥系统动力响应的影响关系到高速铁路运营安全。基于车辆-轨道耦合动力学和列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,运用有限元和多体动力学方法,建立高速铁路桥梁区段车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型,分析在人工地震波作用下高速铁路车-线-桥耦合系统动力响应。结果表明:地震激励对轨道板、支撑层和桥梁的横向振动特性的影响大于对垂向振动特性的影响,桥梁结构对地震激励的敏感程度大于轨道结构;车辆运行速度对系统垂向振动特性的影响大于对横向振动特性的影响。研究结论可为地震荷载作用下高速铁路安全运营提供理论依据。     

轨道不平顺随机过程的数值模拟

轨道不平顺是列车-轨道系统的动力响应的主要影响因素,不平顺样本是列车-轨道系统动力分析模型中不可缺少的参数.根据随机理论原理推导了轨道不平顺谱的空间、时间域的相互转化关系,得到了时域功率谱的表达式.分析了目前广泛应用几种轨道不平顺随机过程的模拟方法的原理及作法,通过对功率谱快速数值算法的分析给出了一种新三角级数模拟方法,该方法与逆傅氏变换法具有等效性,同时也论证了逆傅氏变换方法样本是高斯过程.最后通过实际算例的分析论证了新三角级数法与傅氏逆变换法在简便、合理等方面的优点.     

GOCE卫星重力测量中有色噪声滤波器设计

本文根据卫星重力梯度测量的有色噪声特性,设计了Wiener、AR、FIR三种滤波器,并利用模拟的有色噪声数据对其滤波效果进行了测试,结果表明:对于文中采用的有色噪声数据,AR的滤波效果最好,其次为Wiener滤波器,FIR的滤波效果最差;三种滤波器均可用于GOCE卫星重力测量中有色噪声数据滤波,但其实用性尚需利用实测数据进行检验;可以利用不同的滤波器对含有色噪声的卫星重力梯度数据进行多次滤波,以进一步减弱有色噪声对卫星重力梯度测量精度的影响.     

轨道高低不平顺谱分析

基于国内外轨道高低不平顺功率谱密度拟合函数,通过编程数值计算分别对比研究了普通线路谱和高速线路谱对行车平稳舒适性、安全性、轮轨动力效应的影响.结果表明,铁科院干线谱和原长沙铁道学院谱激励下列车的平稳舒适性略优于美国六级谱,而前者的轮轨动力效应介于美国六级谱和美国五级谱之间,后者则与美国六级谱相当;时速120 km等级普通线路谱和时速160 km等级提速线路谱引起的列车行驶平稳性介于美国五级谱和六级谱之间,轮轨动力效应与美国六级谱较一致;铁科院郑武线高速谱和时速200 km等级提速线路谱引起的列车平稳舒适性介于德国高干扰谱和低干扰谱之间,而前者引起的轮轨力大于德国轨道谱,后者则与德国低干扰谱相当.同时采用三角级法给出各轨道谱的时域样本,作为车辆-轨道垂向耦合动力分析模型的轮轨激励输入,仿真计算了青藏客车YZ25T在普通轨道谱激扰下以时速90 km/h行驶和高速轨道谱激励下以时速200 km/h行驶时的轮轨竖向作用力,较好地验证了基于轨道谱密度函数的轮轨力效应分析结果.研究成果可为列车行驶振动反应分析中轮-轨不平顺激励谱的选择提供参考.     

高速地铁列车竖向振动特性分析

高速地铁列车是一种运行速度可达160 km/h远高于普通地铁最高速度80 km/h的新型地铁列车。其车辆力学特性与高铁列车基本相同,其轨道运行条件与普速列车轨道运行条基本相同。地铁列车竖向振动影响列车上部结构供电及受力性能,目前高铁及普速列车在各自轨道上运行时列车的振动特性研究较为成熟,但高铁列车在普速铁路上运行时的振动特性的研究尚属空白。聚焦高速地铁列车在普速轨道上运行时的车辆振动特性,基于OpenSees软件建立普速及高速地铁列车的车-轮-轨二维有限元模型;利用我国普速轨道谱考虑其频谱特征随机生成20个440 m长轨道不平顺样本;通过有限元法分析了普速和高速地铁列车在不同运行速度及不同平顺程度下的竖向位移响应及统计参数,研究了高速及普速地铁列车竖向振动随运行速度的变化规律。研究表明：高速地铁列车与普速地铁列车的不平顺轨道振动远大于平顺轨道振动。高速列车与普速列车在竖向振动随速度变化特性上存在差异,高速列车的竖向振动位移幅值远小于普速列车,相较于普速列车振动更加稳定。     

既有线200km／h提速客货共线直线段轨道的动力特性

既有线提速是高速铁路发展的重要方向之一。本文主要对轨道路基在列车荷载作用下的动力响应规律进行了研究。首先,建立轨道系统在移动荷载作用下的动力响应理论分析模型,该模型将轨道结构视为连续支承欧拉梁,对ANSYS软件进行二次开发,实现了模型的数值分析;然后,建立直线段轨道数值分析模型,利用该模型分析了荷载速度、载重、不平顺波长、不平顺波深对既有线路提速200km／h客货共线直线段钢轨、轨枕的竖向位移及竖向加速度的影响。可为制定新的铁路养护技术规范提供技术参考。     

大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动影响因素分析

以黄韩侯铁路新黄河特大桥156m简支钢桁梁桥作为工程背景,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(Universal Mechanism)动力学分析软件联合进行仿真分析。从桥梁结构的桥门架、宽跨比、曲线钢桁梁桥和车辆系统的轨道不平顺以及货车编组角度出发,研究大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动的影响因素。经过计算分析得出:钢桁梁桥桥门架对桥梁跨中加速度影响较大;曲线钢桁梁桥随着线路半径的增大,各车辆动力响应参数逐渐变小,轮轨力受到影响;钢桁梁桥宽跨比的增加使得横向刚度随之增加,桥梁横向振动变小;各项车辆动力响应均随着轨道情况变差而总体呈现逐渐增大趋势,车辆安全性、舒适性和平稳性指标逐渐变差;全列空车编组和空重混编对钢桁梁车-桥耦合系统是不利的编组形式,实际情况中应该避免。     

铁路大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动研究

桥梁作为线路工程中不可或缺的重要枢纽,对列车通过桥梁时,桥梁和车辆之间相互作用的问题迫切需要做出解答,特别是针对铁路钢桁梁,并考虑大跨度简支特性的车-桥耦合振动问题研究更具有一定的理论与实际意义。以黄韩侯铁路新黄河特大桥156 m简支钢桁梁桥作为工程背景,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(Universal Mechanism)动力学分析软件联合进行仿真分析,实现单个机车、编组客车和编组货车以设计时速通过桥梁时对大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动的研究。经过计算分析得出:大跨度钢桁梁桥的横向刚度相对较小;不同编组情况以设计时速通过桥梁时,车辆和桥梁的各项动力响应参数均在规范允许的范围之内;编组货车通过桥梁时,桥梁跨中横向、竖向加速度较之其他编组情况要大。     

高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究

高铁是国民经济大动脉的重要组成部分,运输业的生力军。"十二五"规划中将铁路运输安全放在十分重要的位置,并明确提出"大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路"的重要目标。由于我国地震频发,地震灾害对我国的高铁网络构成了严重的威胁,而目前我国高速铁路线路中桥梁所占的比例已经超过了50%,地震发生时列车运行在桥上的概率增大,因此,考虑车-桥耦合作用的高铁列车地震安全性评价和地震报警阈值研究有待于进一步加以推进。我国高铁地震报警和紧急处置系统的研究和示范工程建设才刚刚起步,目前系统尚未得到真实地震的检验,经验积累较少,所采用的一些技术参数,如报警阈值等的合理性有待于进一步研究论证,需要解决的一些关键问题有:(1)合理的车-桥耦合模型的构建;(2)车-桥耦合体系地震响应的分析;(3)基于中国高速铁路轨道谱的高铁列车地震安全性评价;(4)确定合理的高铁列车地震报警阈值。本文主要针对以上几个关键问题开展研究工作,主要研究内容和成果如下:(1)模型研究。基于现有基础调研资料确定列车模型和桥梁模型具体参数以及车-桥耦合接触关系。通过弹簧和阻尼器建立桥梁与轨道、轨道与列车之间的连接,建立了高铁列车-高架桥耦合有限元模型,通过车-桥耦合动力特性分析验证模型的合理性。轮轨接触力基于空间动态轮轨关系求解:基于非线性赫兹接触理论计算轮轨法向力,基于Kalker线性理论计算轮轨蠕滑力,再通过Hedrick-Elkinss理论对计算结果进行非线性修正。(2)车-桥耦合地震响应分析。选取典型地震动加速度时程作为外部激励,对车-桥耦合体系地震响应进行分析研究,得到车-桥耦合体系桥面加速度响应放大系数,研究地震频谱特性对桥面地震响应的影响规律。同时建立不考虑高铁列车的等跨单桥模型,对其进行地震响应分析,与车-桥耦合模型计算结果进行对比分析。结果表明,车-桥耦合模型与单桥模型动力特性和地震响应存在一定的差异,在高铁桥梁地震响应分析中,考虑车-桥耦合是必要的。(3)高铁列车地震响应分析。以计算得到的车-桥耦合体系桥面加速度时程作为输入,同时分别采用中、德轨道不平顺样本作为内部激励,基于车-轨耦合动力分析理论,对高铁列车地震反应进行计算分析,得到列车的动力响应值,包括列车的脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等,并对比规范中该三项指标限值,对高铁列车地震安全性进行评价。结果表明,基于中国轨道谱计算得到的地震作用下列车安全性三项指标值与按照德国谱计算得到的结果差异较大,采用德国谱计算得到列车安全性评价三项指标值均大于中国谱,较中国谱偏于保守。(4)高铁列车地震报警阈值研究。选取不同频谱特性的典型地震动记录,通过调整地震动峰值进行大量计算分析,基于高铁列车安全性三项指标求解得到不同车速下允许的地震动强度限值曲线,对全部地震动记录对应的限值曲线进行包络取值,得到最小包络限值曲线,对其进行适当简化,最终给出不同车速下高速铁路列车地震紧急处置系统的报警阈值建议值和简化公式。研究结果表明,考虑高速铁路轨道谱,采用德国谱比中国谱得到的地震报警阈阈值小。由于德国谱目前在国内应用较为广泛和成熟,有必要进一步验证中国高速铁路轨道谱的合理性与可行性,并应用于实际工程。     

城市轨道交通U型梁动力性能研究与实验验证

为探讨城市轨道交通U型梁车桥系统的动力响应,采用线性化轮轨模型建立了31个自由度的轮轨式车辆动力学模型.模型考虑了新型算法的横竖向轨道不平顺,以重庆市轨道交通一号线工程中梁山以西高架区间所采用标准跨径为30m的单线小U结构为对象,采用自编程序对机车车辆过桥时的车桥耦合振动进行了分析,并通过计算与实测结果的对比分析对所建...     

车辆-轨道系统振动响应分析--Timoshenko梁与Euler梁轨道模型的比较

近年来，铁路的高速化、高运量化以及轻微的地震灾害等因素加速了轨道结构的沉降或变形，导致车辆轨道系统振动的加剧。本文运用车辆-轨道耦合动力学理论，编制了基于Timoehenko梁钢轨模型的车辆-轨道耦合振动仿真分析软件，分析了车辆-轨道系统的垂向振动特性，并与基于Euler梁模型的VICT软件的仿真结果进行了比较分析。结果表明：仿真结果与VICT的仿真结果基本一致，但在较高频域，前者能更好地反映轮轨系统的高频特性。因而，在研究轮轨高频振动及轮轨噪声时。采用Timoshenko梁钢轨模型更具合理性。     

地铁列车曲线运行引起学校建筑物振动响应分析

地铁以其快捷、准时、运量大等优点,已成为重要的轨道交通形式,但由此引起的环境振动问题日益突出。针对杭州市地铁3号线曲线地段的某中学建设工程,利用有限元软件ABAQUS,对车辆-普通整体道床轨道系统的竖向耦合模型进行振动响应分析,得到考虑轨道高低不平顺影响的轨道振动源强。应用有限元软件MIDAS GTS/NX,建立双孔平行曲线盾构隧道-土-桩-建筑物系统的三维有限元模型。以轨道支点力作为激励对地铁列车运行时的隧道-土-桩-建筑物系统的振动响应进行计算,研究地铁振动波在地层中的传播规律和建筑物的动力响应特性。根据相关环境振动控制标准对建筑物的振动舒适性进行评价。结果表明：轨道加速度和扣件动支点力的最大值分别约为40 m/s²和30 kN;地层和建筑物的振动以竖向为主,水平Y向振动略大于水平X向振动;地面加速度随着距隧道中心线距离的增加而逐渐衰减;各建筑物楼层的振动主频位于16~40 Hz;部分建筑物楼层的振动响应水平已超出了规范的限值要求,建议对地铁轨道或建筑物采取适当的减振措施。     

新型U型梁车桥耦合环境振动实测与分析

为探讨城市轨道交通U型梁车桥系统车桥耦合振动对周边环境的影响,采用线性化轮轨模型建立了31个自由度的车辆动力学模型。以重庆市轨道交通一号线工程中梁山以西高架区间所采用标准跨径为30m的单线小U结构为对象,采用自编程序和通用对机车车辆过桥时的车桥耦合振动进行了分析,实测了周边地面受到车桥耦合振动的响应,并通过计算与实测结果的对比分析对所建立的理论模型和编制的程序进行了验证,对U梁引起的环境振动进行了评价。结果表明,U型梁具有良好的环境振动控制效果。     

轨道交通振动对邻近建筑物的影响及其评价

发展城市轨道交通是解决城市交通问题的有效措施,所产生的振动和噪声形成环境问题,成为发展的“瓶颈”.文中以北京城轨道交通13号线霍营-回龙观段的观测振动信号作为输入,选择6层、10层和16层钢筋混凝土结构以及5层砌体结构,建立土结相互作用三维有限元模型,计算结构各层振动响应以及傅氏谱,从这两方面分析结构响应随距离的变化关...     

Prediction of high-speed train induced ground vibration based on train-track-ground system model

The development of analysis on train-induced ground vibration is briefly summarized. A train-track-ground integrated dynamic model is introduced in the paper to predict the ground vibration induced by high-speed trains. Representative dynamic responses of the train-track-ground system predicted by the model are presented. Some major results measured from two field tests on the ground vibration induced by two high-speed trains are reported. Numerical prediction with the proposed train-track-ground model is validated by the high-speed train running experiments. Research results show that the wheel/rail dynamic interaction caused by track irregularities has a significant influence on the ground acceleration and little influence on the ground displacement. The main frequencies of the ground vibration induced by high-speed trains are usually below 80 Hz. Compared with the ballasted track, the ballastless track structure can produce much larger train-induced ground vibration at frequencies above 40 Hz. The vertical ground vibration is much larger than the lateral and longitudinal components.     

Scoping prediction of re-radiated ground-borne noise and vibration near high speed rail lines with variable soils

This paper outlines a vibration prediction tool, ScopeRail, capable of predicting in-door noise and vibration, within structures in close proximity to high speed railway lines. The tool is designed to rapidly predict vibration levels over large track distances, while using historical soil information to increase accuracy. Model results are compared to an alternative, commonly used, scoping model and it is found that ScopeRail offers higher accuracy predictions. This increased accuracy can potentially reduce the cost of vibration environmental impact assessments for new high speed rail lines.To develop the tool, a three-dimensional finite element model is first outlined capable of simulating vibration generation and propagation from high speed rail lines. A vast array of model permutations are computed to assess the effect of each input parameter on absolute ground vibration levels. These relations are analysed using a machine learning approach, resulting in a model that can instantly predict ground vibration levels in the presence of different train speeds and soil profiles. Then a collection of empirical factors are coupled with the model to allow for the prediction of structural vibration and in-door noise in buildings located near high speed lines. Additional factors are also used to enable the prediction of vibrations in the presence of abatement measures (e.g. ballast mats and floating slab tracks) and additional excitation mechanisms (e.g. wheelflats and switches/crossings).     

哈尔滨地铁环境振动噪声测试与降噪处理

考虑地铁环境振动噪声对未来城市地铁地震警报系统中地震信号识别的影响,以包含Ⅱ类和Ⅲ类2种场地土类型的哈尔滨市4个地铁站的上行线首部和尾部作为观测点,展开地铁环境振动噪声的测试、分析以及降噪处理研究。首先,对采集的列车振动数据进行统计分析;其次,基于滑动平均法,提出确定帕曾窗带宽b值的经验方法,并利用其对采集的地脉动数据进行平滑滤波处理;最后,采用本方法确定哈尔滨地铁地震P波预警的滤波频带,并与日本气象厅仪器地震烈度以及新干线地震预警系统的滤波频带进行对比。结果表明:①三轴向地铁列车振动信号中,竖向振动比水平向振动要大,切向振动比径向振动要大。②帕曾窗带宽b值为0.4 Hz时,平滑滤波处理后的频谱能较好地反映地脉动信号的频谱主频,且滤波后的地脉动信号的卓越频率和场地土类型有明显的对应关系,即水平向卓越频率和场地土类型的相关性较好,而竖向卓越频率的误差较大。③哈尔滨地铁地震P波预警的滤波频带为0.3~10 Hz时,能较好地滤除地震动信号中的地铁环境振动噪声,满足地震警报系统对地震记录信噪比的要求。     

A faster simulation method for the stochastic response of hysteretic structures subject to earthquakes

A semi-analytical forward-difference Monte Carlo simulation procedure is proposed for the determination of the lower order statistical moments and the joint probability density function of the stochastic response of hysteretic non-linear multi-degree-of-freedom structural systems subject to nonstationary gaussian white noise excitation, as an alternative to conventional direct simulation methods. The method generalizes the so-called Ermak-Allen algorithm developed for simulation applications in molecular dynamics to structural hysteretic systems. The proposed simulation procedure rely on an assumption of local gaussianity during each time step. This assumption is tantamount to various linearizations of the equations of motion. The procedure then applies an analytical convolution of the excitation process, hereby reducing the generation of stochastic processes and numerical integration to the generation of random vectors only. Such a treatment offers higher rates of convergence, faster speed and higher accuracy. The procedure has been compared to the direct Monte Carlo simulation procedure, which uses a fourth-order Runge-Kutta scheme with the white noise process approximated by a broad band Ruiz-Penzien broken line process. The considered system was a multi-dimenensional hysteretic shear frame, where the constitutive equation of the hysteretic shear forces are described by a bilinear hysteretic model. The comparisons show that significant savings in computer time and accuracy can be achieved.     

拾振器输入信号恢复方法的研究

为了补偿由于拾振器及其测量系统有限带宽而使测量结果产生的测量误差，本文提出了一种用FIR横向滤波器来恢复拾振器原始输入信号的方法。该方法是将拾振器的输出信号作为FIR横向滤波器的输入，用自适应RLS算法对FIR横向滤波器系数进行辨识而最终获得可以恢复拾振器原始输入信号的反卷积滤波器。通过用几组不同特点的信号对其进行实验检验，结果证明该方法的有效性和较好的泛化能力。