高速列车作用引起桥墩—水流固耦合振动特性的研究

摘要

随着我国高速铁路系统的飞速发展，越来越多涉水铁路桥梁的建设无法避免，且这些涉水铁路桥梁的涉水深度不断刷新国内外纪录。在当前的涉水铁路桥梁中，桥墩淹没深度最深已达168米，相当于56层楼的高度。这些处于深水中的桥墩，在高速列车运行产生的复杂激振力作用下，会发生一定的振动和变形，并引起周围水体的振动。水体的振动又反作用于桥墩，并改变桥墩的振动和变形状态，这种作用与反作用始终伴随着列车的通过。桥墩作为桥梁上部结构的关键支撑构件，一旦发生破坏，必然会导致灾难性的后果。因此，分析研究水体对桥墩自振特性的影响以及由高速列车作用引起的动力振动特性的影响，有利于桥梁结构的安全性、稳定性、使用性方面的设计与建造以及日常维护。
　　本文在查阅大量国内外有关结构与流体之间的流固耦合计算方法和原理，以及与桥墩-水流固耦合振动特性相关文献的基础上，分析了独立的桥墩结构（主要是高墩）在水中的自振特性，重点分析了独立的桥墩结构在高速列车作用时，水体对其动力振动特性的影响。主要做了以下分析和研究：
　　⑴运用ANSYS有限元软件建立了实体桥墩模型和水-桥墩耦合有限元模型，并对桥墩自振和动力振动特性进行分析。
　　⑵对桥墩进行自振特性分析时，通过ANSYS建立不同水深中的桥墩模型，模拟计算其自振频率随水深的变化规律。当水深较浅（小于墩高50％）时，桥墩自振频率降低幅度不明显；当水深较大（大于墩高50%）时，桥墩自振频率随水深的增加出现明显降低。并分析了桥墩处于无水和满水情况下，桥墩的几何尺寸对其自振频率的影响。
　　⑶对桥墩进行动力特性分析时，应用ANSYS建立实体桥墩模型，通过在墩顶加载60m/s、70m/s、80m/s和90m/s车速引起的激振力，模拟计算出桥墩墩顶X、Y、Z方向（横向、纵向和竖向）位移和加速度的变化规律和时程。墩顶X、Y、Z方向最大位移随车速的增加而减小，最大加速度随车速的增加而增加。
　　⑷通过ANSYS建立不同水深下的桥墩-水流固耦合有限元模型，在墩顶施加高速列车运行引起的激振力，分析得出桥墩墩顶X、Y、Z方向（横向、纵向和竖向）位移和加速度随水深的变化规律和时程。当水深小于墩高80%，车速从60m/s增至90m/s时，墩顶X、Y方向最大位移随淹没深度的增大先减小后增加；当水深超过墩高的80%，不同车速情况下，墩顶X、Y方向最大位移随淹没深度的增大而大幅增加。当水深小于墩高90%时，墩顶X、Y方向最大加速度随淹没深度的增加没有发生明显的变化。但是，当水深超过墩高的90%时，墩顶 X、Y方向最大加速度出现明显的减小。墩顶 Z方向最大位移和加速度不随桥墩淹没深度的变化而变化。
　　⑸在不同车速下，通过改变桥墩的长细比，分析了满水情况下墩顶最大位移和加速度的变化规律。墩顶X、Y方向最大位移随长细比的增加大幅增加，Z方向小幅增加。但是，墩顶三个方向的最大加速度都随桥墩长细比的增加而减小，且这些变化规律与车速无关。

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主要符号说明

第一章 绪论

1 .1 课题研究背景和意义

1 .2 国内外研究现状

1 .3 本文主要研究内容

第二章 流固耦合的基本理论

2 .1 流固耦合问题的概述

2 .2 流固耦合问题的求解方法

2 .3 静水中流固耦合的振动理论

2 .4 A NSYS有限元软件

2 .5 本章小结

第三章 ANSYS有限元模型的建立

3 .1 A NSYS有限元模型的建立

3.2 ANSYS有限元模型的检验

3 .3 本章小结

第四章 流固耦合对桥墩自振特性的影响

4 .1 概述

4 .2 水深对桥墩自振频率的影响

4 .3 墩高对桥墩自振频率的影响

4 .4 桥墩半径对桥墩自振频率的影响

4 .5 本章小结

第五章 流固耦合对高速列车作用引起桥墩振动特性的影响

5 .1 概述

5 .2 高速列车作用引起的激振力

5.3 ANSYS有限元模型的建立与加载

5 .4 高速列车引起桥墩-水流固耦合振动特性的分析

5 .5 本章小结

第六章 结论与展望

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