铁路大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动研究

摘要

车辆通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁结构的振动反过来又会影响车辆的振动，这就是车-桥耦合振动的问题。随着车辆速度和载重的不断提高，以及桥梁结构在铁路线路中的大量使用，为有效的对钢桁梁桥运营状态和车辆的舒适性、安全性和平稳性进行评估，以及为以后同类桥梁的优化设计提供参考，需对铁路大跨度简支钢桁梁桥进行车-桥耦合振动研究。
　　本文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进行车-桥耦合振动研究。首先，建立了四轴27个自由度的车辆振动分析模型，结合模型利用Lagrange方程推导了车辆的运动方程并组建了动力学方程组，采用模态综合法建立了桥梁的动力振动方程，对轮轨相互作用关系进行了详细的阐述，对车-桥耦合系统激励源(人工蛇形波和轨道不平顺)进行了模拟，组建了车-桥系统振动的动力平衡总方程组，并介绍了动力方程组的求解方法以及车-桥耦合振动联合仿真技术。然后，总结了国内外关于车-桥耦合振动性能评价指标体系的相关规范，结合本文实际工程背景建立了统一的振动性能评价标准。与此同时，结合本文的工程背景及相关计算参数，利用ANSYS和MIDAS/CIVIL软件建立新黄河特大桥的有限元模型，对其动力特性进行计算，并依据各国不同规范的规定对桥梁自振频率进行了评定和分析。最后，利用ANSYS和UM软件联合仿真分析技术实现了单个机车、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-桥耦合振动系统的各项桥梁和车辆动力学响应参数的分析，计算了共振速度。在此基础上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：(1)大跨度钢桁梁桥的横向刚度相对较小；(2)不同编组情况下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；(3)钢桁梁桥桥门架对桥梁跨中横向加速度影响较大；(4)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；(5)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；(6)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；(7)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，实际情况中应该尽量避免。

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1 绪论

1.1 概述

1.2 我国铁路钢桁梁桥发展概况

1.3 车-桥耦合振动分析发展进程与研究现状

1.4 本文研究背景及主要内容

2 车-桥耦合振动系统模型的建立

2.1 车辆结构动力学模型

2.2 桥梁结构分析模型

2.3 轮轨相互作用

2.4 车-桥系统激励源的模拟

2.5 车-桥耦合振动系统总方程的建立

2.6 车-桥耦合数值仿真模拟

2.7 小结

3 车-桥耦合系统振动性能评价标准

3.1 桥梁动力性能评定及标准

3.2 车辆振动性能评定及标准

3.3 小结

4 桥梁结构动力特性分析

4.1 工程背景

4.2 桥梁结构动力特性分析

4.3 小结

5 大跨钢桁梁桥车-桥耦合系统动力响应分析

5.1 车辆模型的建立

5.2 大跨度钢桁梁桥车-桥耦合振动分析

5.3 共振车速

5.4 小结

6 大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动影响因素分析

6.1 桥门架对车-桥耦合系统的影响

6.2 曲线钢桁梁桥对车-桥耦合系统的影响

6.3 宽跨比和行车速度对车-桥耦合系统的影响

6.4 轨道不平顺对车-桥耦合系统的影响

6.5 货车编组对车-桥耦合系统振动的影响

6.6 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果