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。     

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。     

地震对多跨简支梁桥上列车运行安全的影响

主要讨论了地震对多跨简支梁桥上列车运行安全的影响，建立了综合考虑地震输入，轨道不平顺和车辆蛇行运动的车－桥体系振动的动力分析模型，通过输入典型地震波，模拟列车过桥全过程，计算了车辆与桥梁的动力响应，研究了地震荷载对秦沈客运专线跨度为1232m的简支T梁和简支箱梁列车运行安全的影响，并讨论了列车运行速度和桥梁下部基础条件与车桥动力响应的关系。     

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。     

车-桥-墩耦合系统演变随机振动分析

将梁简化为两端简支的欧拉-伯努利梁模型,桥墩简化为底部固结的柱,考虑两自由度车辆移动系统与桥面结构表面接触处不平整产生的随机激励,建立了移动车辆系统-桥-墩的耦合力学分析模型。根据子结构方法和演变随机过程一般理论,并应用模态分析法对车-桥-墩耦合系统进行随机振动分析,推导得到了桥墩位移、桥墩轴力、梁竖向位移协方差函数和均方值响应的理论计算公式。通过数值算例,比较了跨中位移的确定性响应和跨中位移的均方根值响应,讨论了在不同桥墩高度、不同车辆移动速度、不同桥面等级下桥梁跨中竖向位移均方根、桥墩轴力均方根的变化规律。     

基于车辆响应的连续梁桥振型识别数值模拟及影响参数分析

采用过桥车辆振动响应识别桥梁自振特性的间接测量法能够避免传统动载试验测量桥梁振型方法所存在的操作复杂和成本较高等缺点.采用数值模拟的方法,根据车桥耦合振动理论和桥梁振型间接测量法基本原理,对实际工程某连续梁桥建立车辆与桥梁耦合振动的有限元模型,采用双轴半车模型模拟测量车辆,提取车辆匀速通过平整桥面时车辆振动加速度时程响...     

考虑约束扭转的斜拉桥车激横向振动分析

利用有限单元法,基于力学原理和几何协调条件,导出了非对称箱型截面梁单元的弯扭耦合刚度矩阵,建立了斜拉桥在车辆荷载作用下的横向动力分析模型。由于考虑了箱梁的约束扭转,该模型能够分析复线或多线铁路桥在偏载作用下的横向振动问题。以桥梁轨道随机不平顺作为激振源,进行了机车过桥的实例分析。计算结果表明,桥梁的车激横向动力响应随车速及轨道不平顺样本的不同而变化,并随桥跨的增加而快速变得显著,车辆偏载对箱梁扭转振动有显著影响,所建立的力学模型是斜拉桥车桥耦合振动分析的实用模型。     

考虑土-结构动力相互作用的车-桥系统动力响应分析

基于多源粘弹性人工边界,利用有限元软件ABAQUS建立了动力荷载作用下的路基-桥梁-车辆整体数值分析模型,分别计算动力荷载作用下车速、土-结构动力相互作用(SSI)因素对车-桥系统的影响规律。结果表明:对车桥系统来说,考虑土-结构相互作用时桥梁结构和车辆的竖向动力响应都较忽略时有显著的增大;桥梁的各参考点的竖向动力响应随着列车速度的增大而增大,但车速对桥梁的动力响应影响要大于土-结构动力相互作用的影响;地震使得车桥系统的动力响应明显的增大,同时地震作用下桥梁的参考点上竖向位移、速度的最大值出现时刻和只有列车荷载作用下出现时刻也不同。     

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...     

T形刚构桥桥墩参数对车-桥动力响应影响研究

为研究T形刚构桥桥墩参数对车-桥动力响应的影响，以某高速铁路（77m+144m+77m）T形双薄壁连续刚构桥为研究对象，基于刚柔耦合理论，采用多体动力学和有限元联合仿真技术，建立考虑桩土效应的列车-桥梁动力相互作用模型，计算分析T形刚构桥墩宽度、厚度及混凝土强度等级变化对车-桥耦合系统的动力响应影响。结果表明:T形刚构桥墩宽度、厚度及混凝土强度等级的改变，对桥上车辆系统的安全性指标、舒适性指标影响较小；T形刚构桥墩参数改变，对桥梁系统横向位移、垂向加速度、横向加速度影响较小，而对垂向位移影响较大，但变化幅值均在高速铁路设计规范要求的范围内；在其他条件参数不变的情况下，可通过将桥墩宽度降低到设计宽度的75%—80%，或厚度降低到设计厚度的80%—85%，或桥墩混凝土强度等级降低为C35—C40对该高速铁路T形双薄壁连续刚构桥进行优化设计。     

地震作用对轻轨铁路车桥系统耦合振动的影响

本文分析地震作用对考虑土-结构相互作用的轻轨铁路车桥系统耦合振动的影响。文中建立了车桥系统考虑土-结构相互作用的三维空间模型，推导了考虑地震作用车桥系统的耦合振动方程，并编制了相应的计算程序。以时速100km的列车通过天津轻轨的一座四跨预应力混凝土连续刚构桥为例，对受天津波和El Centro波地震作用的车桥系统的耦合振动响应进行了仿真分析。结果表明：地震作用下车桥系统的耦合振动响应近似为桥梁地震响应与车桥系统耦合振动响应之和；地震作用对车桥系统横桥向耦合振动响应的影响最大，对竖向耦合振动响应的影响较小，而对顺桥向耦合振动响应的影响甚微；且不同地震波激励的影响程度有所不同。由此得出结论，地震作用与车桥系统的耦合振动存在很大程度的耦合，因此，在对高架桥梁上的轻轨铁路进行车桥耦合振动分析时必须考虑地震作用的影响，以保证列车运行的安全性和稳定性。     

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。     

Dynamic interaction of bridge–train system under non‐uniform seismic ground motion

The probability that an earthquake occurs when a train is running over a bridge in earthquake‐prone regions is much higher than before, for high‐speed railway lines are rapidly developed to connect major cities worldwide. This paper presents a finite element method‐based framework for dynamic analysis of coupled bridge–train systems under non‐uniform seismic ground motion, in which rail–wheel interactions and possible separations between wheels and rails are taken into consideration. The governing equations of motion of the coupled bridge–train system are established in an absolute coordinate system. Without considering the decomposition of seismic responses into pseudo‐static and inertia‐dynamic components, the equations of motion of the coupled system are formed in terms of displacement seismic ground motions. The mode superposition method is applied to the bridge structure to make the problem manageable while the Newmark‐β method with an iterative computation scheme is used to find the best solution for the problem concerned. Eight high‐speed trains running over a multi‐span steel truss‐arch bridge subject to earthquakes are taken as a case study. The results from the case study demonstrate that the spatial variation of seismic ground motion affects dynamic responses of the bridge–train system. The ignorance of pseudo‐static component when using acceleration seismic ground motions as input may underestimate seismic responses of the bridge–train system. The probability of separation between wheels and rails becomes higher with increasing train speed. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

A study of railway bridge/vehicle interaction and evaluation of fatigue life

A new vehicle model and the partial bridge model were used to study the dynamic interaction between an open deck steel truss bridge and a moving freight train. The responses in terms of dynamic stresses in certain critical members in the bridge were generated to predict their fatigue lives by using a reliability-based methodology.     

设置限位器双向隔震铁路桥梁车桥耦合动力响应研究

对铅芯橡胶双向隔震铁路桥梁在列车荷载作用下的力学性能进行了研究,针对双向隔震铁路桥梁中存在的问题,提出了设置限位器的解决方案,并对设置限位器的双向隔震铁路桥梁进行了车桥耦合动力响应分析。研究结果表明,采用常规隔震设计方法的铅芯橡胶支座在横桥向的初始刚度和屈服强度均不能满足规范要求,设置限位器后,双向隔震铁路桥梁的力学性能有了很大的改善,各项指标均满足列车运行安全性和平稳性要求。     

Prediction and mitigation analysis of ground vibration caused by running high-speed trains on rigid-frame viaducts

In this study a 3D numerical analysis approach is developed to predict the ground vibration around rigid-frame viaducts induced by running high-speed trains. The train-bridge-ground interaction system is divided into two subsystems: the train-bridge interaction and the soil-structure interaction. First, the analytical program to simulate bridge vibration with consideration of train-bridge interaction is developed to obtain the vibration reaction forces at the pier bottoms. The highspeed train is described by a multi-DOFs vibration system and the rigid-frame viaduct is modeled with 3D beam elements. Second, applying these vibration reaction forces as input external excitations, the ground vibration is simulated by using a general-purpose program that includes soil-structure interaction effects. The validity of the analytical procedure is confirmed by comparing analytical and experimental results. The characteristics of high-speed train-induced vibrations, including the location of predominant vibration, are clarified. Based on this information a proposed vibration countermeasure using steel strut and new barrier is found effective in reducing train-induced vibrations and it satisfies environmental vibration requirements. The vibration screening efficiency is evaluated by reduction VAL based on 1/3 octave band spectral analysis.     

Prediction of railway ground vibrations: Accuracy of a coupled lumped mass model for representing the track/soil interaction

Recent advances in railway-induced ground vibrations showed that the track/soil interaction plays an important role in the low frequency range. This paper contributes to the numerical analysis of train/track/foundation dynamics by presenting the accuracy of a coupled lumped mass (CLM) model devoted to the railway foundations and to the track/soil coupling. Following a summary of the background and the advantages of the CLM model, the coupling strategy is quantified through two application cases. Firstly, the dynamic track deflection is calculated for different railway lines considering various degrees of complexities of foundations. Then, the foundation responses are compared depending on whether detailed coupling is introduced or not. The benefit of the proposed model is emphasized by presenting free-field ground vibration responses generated by a tram and a high-speed train, obtained by a revisited two-step prediction model developed by the authors.     

Fatigue life of critical members in a railway truss bridge

The fatigue life of critical members, such as hangers, floor-beams and stringers in a single track, open deck railroad truss bridge, was investigated for various unit freight trains, operating at different speeds. A partial bridge model was used, along with a three-car train, to determine the stress cycles. For determining the fatigue lives of critical members, four fully-loaded trains per day were assumed to pass over the bridge. Each train was assumed to consist of one hundred 70-ton cars or seventy 100-ton cars. The 100-ton freight cars cause large stress ranges, and consequently shorter fatigue lives than the 70-ton freight cars. For the hundred-car train, with 70-ton and 100-ton cars mixed in various proportions, the fatigue lives became shorter as the percentage of 100-ton cars in the consist was increased. The impact percentages were also studied.     

5跨连续中承式钢管混凝土拱桥抗震性能分析

钢管混凝土拱桥由于桥型优美在城市桥梁中得到广泛应用,对某正在设计的5跨连续巾承式钢管混凝土拱桥进行了动力特性和抗震性能分析,根据该桥的结构特点,建立了’该桥的空间有限元分析模型,计算桥梁的自振特性,基于反应谱方法计算了该桥在横向、纵向水平地震反应,计算结果表明：该桥拱肋的面外刚度相对较小,在桥梁振动中首先出现拱肋的面外振动;桥梁的竖向振动表现为拱肋与桥面的整体竖向振动,其基频明显比拱肋面外振动大;主拱肋的轴力由横桥向地震动控制,其他内力由纵桥向地震动控制;地震作用对弯矩的影响较大,故主拱的内力计算应考虑地震力的影响;在设计计算中除常规关键点应作为控制点外,内外拱连接处也应作为控制点。计算结果已为该桥的抗震设计提供了参考。