列车荷载及地震作用下隔震铁路桥梁的动力性能研究

摘要

目前隔震技术主要应用于结构和公路桥梁中，能够起到隔离地震并且消耗传到结构上的地震能量的作用，有效减小地震作用下结构的加速度响应，但一直很少应用于铁路桥梁中。铁路桥梁是有轨线路，车辆的编组形式和车辆运行速度等影响因素众多，分析复杂，关于隔震铁路桥梁在列车作用下和地震作用下的动力性能还不够明确。目前中国铁路列车不断提速，列车对轨道的平顺性要求更加严格。为使隔震技术能够应用于高速铁路桥梁，使桥梁在地震作用下满足安全性要求，并满足列车运行的安全性和舒适性的要求，本文做了如下几方面研究：
　　1.建立了隔震铁路桥梁纵桥向的车桥动力分析模型，将列车简化为多质点模型，隔震桥梁采用空间有限元模型，通过轮对与轨道的纵桥向相互作用力将车辆系统和桥梁系统联系起来。通过力的平衡关系，建立列车的动力平衡方程，用四五阶龙格库塔方法进行求解得到轮对制动力时程，采用二次离散方法将移动轮对制动力时程转换为结构固定节点的制动力时程，实现空间离散过程；通过通用有限元软件ANSYS对桥梁进行了动力响应分析，完成时间离散过程。分析结果表明：采用隔震设计的铁路桥梁，在纵桥向制动力作用下，桥梁的纵向位移响应大于非隔震桥梁的位移响应，隔震设计后可以使制动力在各个墩台间的分布更加合理。列车最不利的停车位置位于列车第一轮对出桥时。
　　2.采用模态综合法建立了车桥耦合振动模型，利用MATLAB软件编写了垂横向的车桥耦合动力响应分析程序，进行了铅芯橡胶双向隔震支座铁路桥梁的横桥向和竖向的车桥耦合振动响应分析，分析中采用27个自由度的车辆模型，分析了在轨道的不平顺和轮对的蛇形运动激励下，隔震桥梁的隔震周期和弹性隔震度、以及车辆行驶速度等因素对振动响应的影响。分析结果表明，采用常规的铅芯橡胶支座的设计方法的隔震铁路桥梁，在列车过桥时产生较大的横向动位移，不能满足列车运行安全性的要求。要使双向隔震技术应用于铁路桥梁需要对铅芯橡胶支座进行限位。
　　3.采用有限元软件ANSYS进行了铅芯橡胶支座双向隔震桥梁在设计地震和罕遇地震作用下纵桥向和横桥向的时程响应分析，分析结果表明，采用铅芯橡胶支座隔震铁路桥梁，在强震作用下取得了较好的隔震效果，但在设计地震和多遇地震作用下，隔震支座发生屈服，产生较大的位移，对于铁路桥梁容易引起轨道设备的破坏，严重影响列车运行的安全性，增加的对轨道维护的难度和工作量，带来不必要的经济损失。
　　4.为了限制铅芯橡胶支座隔震铁路桥梁在多遇地震和设计地震作用下桥梁上部结构的位移，设计了耗能型限位装置和非耗能型限位装置，为隔震支座提供足够的初始刚度和屈服强度，两类装置主要具有如下特点：
　　a.耗能型限位装置：在设计地震和多遇地震作用下，限位器和铅芯橡胶支座处于弹性工作阶段，限位装置起到理想的限位作用，在罕遇地震作用下，限位装置先于铅芯橡胶支座进入屈服阶段，组合隔震支座起到隔震耗能作用。耗能型限位装置主要研究了X形钢板耗能限位器和X形钢棒双向耗能限位器。
　　b.非耗能型限位装置：不具有塑性发展阶段，达到弹性极限即破坏。在设计地震和多遇地震作用下，限位装置和铅芯橡胶支座处于弹性工作阶段，罕遇地震作用下，限位装置发生破坏，退出工作，由铅芯橡胶支座单独工作，充分发挥铅芯橡胶支座的隔震减震作用。非耗能型限位器主要研究了X形脆性钢板和细长颈部的X形钢棒。
　　5.分别对以上几种限位器进行了材料性能和构件的力学性能静力试验研究，为模型桥梁有限元分析中的模型本构关系和滞回关系的输入提供的试验依据。设计了三跨连续隔震铁路桥梁模型，对采用铅芯橡胶支座和三种组合隔震支座的桥梁模型在纵桥向进行了振动台试验研究，试验结果验证了设计方法的合理性以及桥梁模型有限元的模型简化和分析结果的的正确性，通过原型桥梁模型的分析，证明了组合隔震支座限位和隔震的有效性。

目录

列车荷载及地震作用下隔震铁路桥梁的动力性能研究

Research on Dynamic Performance of Railway Bridge with Seismic Isolation Bearing Under Train Load and Earthquake

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 铁路桥梁隔震性能分析相关研究现状与分析

1.3 本文主要研究内容

第 2 章 隔震铁路桥梁在列车制动情况下的动力响应研究

2.1 引言

2.2 列车制动的基本概念

2.3 列车纵向力的计算模型及动力平衡方程

2.4 制动力的求解及制动力的时空离散

2.5 列车制力作用下的桥梁动力响应分析

2.6 本章小结

第 3 章 双向隔震铁路桥梁垂横向车-桥耦合振动响应

3.1 引言

3.2 车桥耦合振动分析模型的建立及验证

3.3 双向隔震铁路桥梁车桥耦合振动响应分析

3.4 本章小结

第 4 章 隔震铁路桥梁在地震作用下的动力响应分析及振动台试验研究

4.1 引言

4.2 铁路桥梁隔震支座力学性能和设计方法

4.3 隔震铁路桥梁地震作用下的时程响应分析

4.4 隔震铁路桥梁的振动台试验研究

4.5 铅芯橡胶支座铅芯直径对隔震桥梁动力响应的影响

4.6 本章小结

第 5 章 限位隔震铁路桥梁地震作用下的动力响应及振动台试验研究

5.1 引言

5.2 限位装置设计

5.3 耗能型X 形钢板限位隔震桥梁的试验研究和有限元分析

5.4 耗能型X 形钢棒限位隔震桥梁试验研究及有限元分析

5.5 非耗能型X 形钢板限位隔震桥梁试验研究与有限元分析

5.6 非耗能型X 钢棒限位隔震桥梁试验研究和有限元分析

5.7 设置限位装置隔震铁路桥梁列车荷载作用下的验算

5.8 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学学位论文使用授权书

致 谢

个人简历