高速铁路高架桥局部振动有限元分析

摘要

随着高速铁路的大量兴建，高架桥由于占地面积小，施工便捷得到广泛使用。同时其带来的结构噪声环境问题吸引着越来越多学者的参与研究。其根源主要是结构产生的频率在20-200Hz之间的局部振动。论文基于车轨桥耦合动力学原理，利用有限元方法探讨了高速铁路中常用的箱型梁局部振动特性。
　　通过建立较为精细的箱梁有限元模型，并进行自振特性分析以及瞬态动力特性分析。针对桥梁选出6个敏感点，以振动加速度作为主要评价参数，对各点的时域与频域响应进行详细计算，考察梁的局部振动特性，得到了桥梁局部振动的频段区间分布规律。本文考虑多种不同工况下梁的振动特性以作比较，寻求控制结构局部振动的思路方法。另外对双室梁与单室梁的振动特性也做了详细的比较，为工程上必要地段梁型的选用提供了依据。下面将阐述本文在通过上述研究得到的主要内容与重要结果：
　　1、选取桥梁主体结构建立有限元模型，单元数共13764，桥墩不予考虑，使用弹簧单元建立支座，且对本文分析影响较小的附属构件部分予以忽略。
　　2、通过对梁模型进行模态分析可知前500阶自振频率主要集中在0-421.6Hz,前六阶自振频率集中在20Hz以下。而在各阶振型中出现较为明显的局部振动主要是在第六阶之后。
　　3、基于上述模态分析，根据动力学相关知识计算结构的阻尼矩阵，得到阻尼系数α与β,为后续动力学计算提供依据。
　　4、基于车轨桥耦合动力学原理及模型，以轨道不平平顺作为轮轨激励，得到轮轨之间的竖向作用力。
　　5、将轮轨作用力按车速250km/h加载于桥梁模型上，分析桥梁各板（顶板、底板、腹板、翼缘板）的振动特性，选出跨中截面六个较为合适的敏感点作为后续局部振动的依据。
　　6、根据以上分析结果，计算不同列车速度状态下六个敏感点的振动响应以反映整个梁体的局部振动特征。由分析可知，车速越大，各点振动越强烈，局部振动也越强烈，其频段分布区间也随车速增大而增大。
　　7、根据对不同轨道不平顺状态的分析，可知轨道不平顺是激发桥梁局部振动的主要因素，且不平顺波长越短，越容易激发梁的局部振动，且振动频段区间会大幅增大。
　　8、列车激励周期性激振对桥梁振动有着重要的影响。虽然根据目前单节列车长度作用的分析，该频率较低，对高频段的局部振动影响较小，但其引起振动较为剧烈，影响列车安全性及舒适性。本文中列车激振频率为2.7Hz,通过对比分析可发现桥梁振动加速度值在频率2.7Hz附近出现了峰值。
　　9、对箱梁材料参数不同工况进行分析，主要是弹性模量及梁体的密度，由分析可知弹性模量的增大对局部振动的影响较小，密度对局部振动的影响较大。而增大支座的刚度会增大整个桥梁的自振频率，同时会影响桥梁的振动。尤其对80Hz以下频段的整体振动及局部振动的影响较大，对大于80Hz频段的振动表现的不太明显。
　　10、建立不同板厚的模型分析可知，增大顶板厚度对顶板、腹板的局部振动影响较大，增大底板厚度对各板的局部振动影响均不明显，增大腹板厚度可有效减弱顶板、腹板的局部振动，而对底板效果较差。综合可知，改变顶板、腹板厚度对控制局部振动有较好的效果。
　　11、改变腹板倾角建立模型，分析可知，较小的倾角对结构局部振动具有一定的控制作用。实际工程中，并非倾角设为0°时最好，需综合考虑其它因素，取最合适的腹板倾角。
　　12、双室梁与单室梁相比，各板块的局部振动响应均得到降低。在工程实际中，相应区段选用双室梁可以从根源上降低结构噪声辐射。
　　13、采用固结边界条件梁，从一定程度上可以减弱桥梁的局部振动。在工程上可通过使用连续梁实现。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 文献回顾

1.3 桥梁减振降噪措施研究现状

1.4 本文研究方法

1.5 本文的主要研究内容

本章小结

第二章 计算模型

2.1 有限元模型的建立

2.2 模态分析

2.3 桥梁结构的阻尼矩阵

2.4 高架桥箱梁谐响应分析

本章小结

第三章 桥梁结构瞬态动力分析

3.1 列车激励模型的建立

3.2 轨道不平顺激励的数值模拟

3.3 桥梁局部振动特性计算步骤

3.4 动力分析及箱梁截面敏感点的选择

本章小结

第四章 高速铁路桥梁结构局部振动特性分析

4.1 列车速度对箱梁局部振动的影响

4.2 轨道状态对箱梁局部振动的影响

本章小结

第五章 高速铁路桥梁局部振动影响因素分析

5.1 材料参数影响分析

5.2 不同截面尺寸形式对局部振动的影响分析

5.3 箱梁腔式的变化对局部振动的影响分析

5.4 边界条件对箱梁局部振动的影响

本章小结

第六章 总结

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢