高速磁浮轨道梁在车辆荷载作用下的振动研究

摘要

轨道梁是高速磁浮交通系统的主要组成部分。上海线轨道梁的动力设计主要依照德方提供的经验公式，该式对轨道梁的刚度要求甚高，设计和施工的难度较大。随着磁浮交通的发展，为满足跨越河流和城市主干道的需要，轨道梁的跨度必须进一步增大，德国经验公式难以满足开发新型轨道梁的需要。为优化现有梁型和开发新型中大跨度梁型，对轨道梁在车辆荷载作用下的动力特性进行深入研究是非常必要的。本文以德国磁浮车辆为原型，建立了包括10自由度车辆模型、电磁铁模型、轨道梁模型和悬浮控制模型的磁浮车辆-轨道梁耦合振动分析模型；分析了磁浮上海线已有梁型的振动特性，并与现场测试数据进行了对比分析，提出了优化建议；研制了适用于中等跨度的轨道梁新梁型；在对已有梁型和本文研制的梁型进行大量仿真分析的基础上，研究了轨道梁振动与车辆参数、结构参数等之间的关系规律。本文完成的主要工作及结论如下：1.运用本文建立的模型和相应的计算程序，分析了上海线单跨简支梁和双跨连续梁的动力特性。结果表明车速、轨道梁跨度、频率、阻尼等参数对轨道梁的动力特性有重要影响。德国经验公式偏于保守，建议在磁浮轨道梁动力设计中直接控制轨道梁的冲击系数和振动加速度。2.提出了两种磁浮中等跨度桥梁方案(三跨连续梁桥和三跨刚构桥)，分析了其在静活荷载作用下的变形和自振频率与跨度比、支墩刚度(仅对刚构桥)之间的关系规律，得到了两种桥型的跨度比宜在0.5到0.7之间、刚构桥支墩与主跨梁的线刚度比可取2.4等结论。本文研制的磁浮中等跨度桥梁方案已通过国家评审，成为后续工程的技术储备。3.运用本文建立的模型和相应的计算程序，分析了中等跨度桥梁在车辆通过时的动力特性。研究表明，桥梁振动反应基本上随着车速的增加而增加；选择较小的跨度比是合适的；冲击系数和加速度随着桥梁截面刚度的增加而减小，说明增加桥梁截面刚度对减弱桥梁振动的作用是比较直接的。4.冲击系数和截面刚度的关系可以作为确定结构方案所需截面尺寸的依据之一。在进行磁浮轨道梁(桥梁)设计时，建议采用如下方法：先确定刚度要求的上下限，通过车桥振动分析研究上下限范围内刚度对振动反应的影响，确定冲击系数对刚度变化不敏感的区域，据此选定合理的截面参数。5.将本文仿真计算与磁浮上海线振动现场测试结果进行了对比和分析，证明本文所建立的模型、计算方法和相应的计算程序是可靠的，结论可为高速磁浮轨道梁(桥梁)动力设计提供理论依据。

目录

摘要

ABSTRACT

符号说明

第一章 绪论

1.1 磁浮交通系统的发展与现状

1.1.1 磁浮交通系统简介

1.1.2 磁浮交通技术的发展历史

1.1.3 上海磁浮示范运营线简介

1.2 磁浮线路概述

1.3 轮轨系统车桥耦合振动研究综述

1.3.1 比较研究的目的与意义

1.3.2 轮轨系统车桥耦合振动的激振因素

1.3.3 轮轨系统车桥耦合振动的主要研究方法与评述

1.3.4 轮轨系统桥梁动力设计方法简述

1.4 磁浮交通系统车桥耦合振动研究综述

1.4.1 磁浮交通系统车桥耦合振动的特点

1.4.2 磁浮车辆－轨道梁耦合振动的研究历史与现状

1.5 论文研究的意义和内容

1.5.1 论文研究的意义

1.5.2 论文研究的方法和内容

第二章 车桥耦合振动模型的建立

2.1 概述

2.2 车辆模型

2.2.1 坐标系统

2.2.2 车辆模型的建立

2.2.3 磁浮车辆动力学方程及其求解

2.3 电磁铁系统模型

2.3.1 电磁铁系统描述

2.3.2 电磁铁系统特性

2.3.3 电磁铁系统的动力方程

2.4 控制器模型

2.5 轨道梁模型

2.6 磁浮车辆-轨道梁的耦合振动求解

2.6.1 求解步骤

2.6.2 车桥耦合振动分析小结

2.7 车桥耦合振动模型分析程序编制

2.7.1 车桥耦合振动模型的程序设计

2.7.2 程序说明与计算流程图

2.8 本章小结

第三章 磁浮上海线轨道梁耦合振动数值仿真方法

3.1 概述

3.2 简支梁的自振特性

3.2.1 简支梁的计算模型

3.2.2 简支梁的自振频率与振型

3.3 双跨连续梁的自振特性

3.3.1 双跨连续梁的计算模型

3.3.2 承受梁端简谐弯矩的单跨梁梁端动弯矩与转角

3.3.3 双跨连续梁的自振频率

3.3.4 双跨连续梁的振型

3.4 简支梁耦合振动数值仿真方法

3.4.1 磁浮车辆匀速通过时简支梁承受的动荷载

3.4.2 简支梁各阶振型的广义质量

3.4.3 简支梁各阶振型的广义荷载

3.5 简支梁数值仿真稳定性和计算初始条件的确定

3.6 双跨连续梁耦合振动数值仿真方法

3.6.1 磁浮车辆匀速通过时双跨连续梁承受的动荷载

3.6.2 双跨连续梁各阶振型的广义质量

3.6.3 双跨连续梁各阶振型的广义荷载

3.7 双跨连续梁数值仿真稳定性与计算初始条件的确定

3.8 本章小结

第四章 磁浮中等跨度桥梁的自振特性与结构选型

4.1 概述

4.2 三跨连续梁的自振特性

4.2.1 三跨连续梁的力学模型

4.2.2 三跨连续梁的自振频率

4.2.3 三跨连续梁的振型

4.3 三跨刚构桥的自振特性

4.3.1 三跨刚构桥的力学模型

4.3.2 三跨刚构桥的自振频率

4.3.3 三跨刚构桥的振型

4.4 三跨连续梁的参数分析与结构选型

4.4.1 静载作用与跨度比的关系

4.4.2 自振频率与跨度比的关系

4.4.3 跨度比的确定

4.4.4 截面刚度要求与尺寸选择

4.5 三跨刚构桥的参数分析和结构选型

4.5.1 支墩抗弯刚度的影响分析

4.5.2 跨度比的影响分析

4.5.3 支墩刚度和跨度比的确定

4.5.4 截面刚度要求与尺寸选择

4.6 本章小结

第五章 磁浮中等跨度桥梁耦合振动数值仿真方法

5.1 概述

5.2 三跨连续梁耦合振动的数值仿真方法

5.2.1 磁浮车辆匀速通过时三跨连续梁承受的动荷载

5.2.2 三跨连续梁各阶振型的广义质量

5.2.3 三跨连续梁各阶振型的广义荷载

5.2.4 三跨连续梁数值仿真结果稳定性分析和计算初始条件的确定

5.3 三跨刚构桥耦合振动的数值仿真方法

5.3.1 磁浮车辆匀速通过时三跨刚构桥承受的动荷载

5.3.2 三跨刚构桥各阶振型的广义质量

5.3.3 三跨刚构桥各阶振型的广义荷载

5.3.4 三跨刚构桥数值仿真结果稳定性分析和计算初始条件的确定

5.4 本章小结

第六章 磁浮上海线轨道梁仿真结果分析

6.1 概述

6.2 简支梁的振动

6.2.1 轨道梁不同位置的振动反应

6.2.2 不同车速通过时轨道梁跨中的振动反应

6.2.3 简支梁跨度和跨中振动反应的关系

6.2.4 简支梁频率和跨中振动反应的关系

6.2.5 阻尼比对轨道梁振动的影响

6.2.6 与移动荷载和移动质量模型计算结果比较

6.2.7 简支轨道梁振动分析小结

6.3 双跨连续梁的振动

6.3.1 双跨连续梁上不同位置的振动反应

6.3.2 不同车速通过时轨道梁跨中的振动反应

6.3.3 双跨连续梁跨度和跨中振动反应的关系

6.3.4 双跨连续梁频率和跨中振动反应的关系

6.3.5 阻尼比对轨道梁振动的影响

6.3.6 与移动荷载模型和移动质量模型计算结果的比较

6.3.7 双跨连续梁振动分析小结

6.4 本章小结

第七章 磁浮中等跨度桥梁仿真结果分析

7.1 三跨连续梁仿真结果分析

7.1.1 桥梁不同位置的振动反应

7.1.2 不同车速通过时桥梁跨中的振动反应

7.1.3 桥梁跨度比与振动反应的关系

7.1.4 三跨连续梁截面刚度与振动反应的关系

7.1.5 三跨连续梁频率和主跨跨中振动反应的关系

7.1.6 阻尼比对桥梁振动的影响

7.1.7 与移动荷载模型和移动质量模型计算结果的比较

7.1.8 三跨连续梁仿真结果分析小结

7.2 三跨刚构桥的仿真结果分析

7.2.1 桥梁不同位置的振动反应

7.2.2 线刚度比对桥梁动力性能的影响

7.2.3 不同车速通过时桥梁跨中的振动反应

7.2.4 三跨刚构桥跨度比与振动反应的关系

7.2.5 三跨刚构桥截面刚度与振动反应的关系

7.2.6 三跨刚构桥频率和跨中振动反应的关系

7.2.7 阻尼比对三跨刚构桥梁振动的影响

7.2.8 与移动荷载模型和移动质量模型计算结果的比较

7.2.9 三跨刚构桥梁仿真结果分析小结

7.3 本章小结

第八章 计算结果与现场测试结果的比较

8.1 现场测试简介

8.2 上海线简支轨道梁振动现场测试结果

8.3 理论计算结果与测试结果的比较

8.4 小结

第九章 结论与展望

9.1 研究工作总结

9.2 研究工作结论

9.3 论文创新性

9.4 后续研究

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间发表的文章

攻读博士学位期间参与的科研项目