提速状态下车桥耦合振动理论与桥梁横向动力性能的研究

摘要

继沪宁线提速成功以来，我国铁路已进行六次大提速。提速缩短了运营时间但也加剧了桥梁的振动，出现了许多需要解决的动力问题。针对提速线出现的问题，本文对铁路桥梁振动耦合理论、车桥横向动力相互作用原理以及墩梁横向刚度合理限值三方面开展了系统的研究。主要工作如下：　　1.建立了车、桥耦合振动的空间计算模型，模型的主要特点是分别考虑了轨道的竖向弹性作用的弹性接触模型和不考虑轨道的竖向弹性作用的轮轨密贴接触模型。桥梁的计算模型考虑桥梁基础的弹性作用；车辆为三刚体二系悬挂计算模型。　　2.推导动态耦合情况下的轮轨的蠕滑率、蠕滑率系数的工程实用的计算方法；在确定蠕滑系数时，考虑了大蠕滑情况下的蠕滑力计算式的修正。在车桥动态耦合理论中，提出了轨道不平顺与行车速度耦合产生的轨道不平顺速度的物理概念、计算方法、以及它对车桥动力响应的影响，分析表明：轨道不平顺的速度项是影响车桥振动的主要因素；考虑轨道不平顺的速度作用与否对车桥动力计算结果差别影响显著。　　3.研究了车桥耦合振动数值解的方法、精度和稳定性。发现威尔逊数值数值法无条件稳定对车桥耦合振动不适用，解的稳定性与桥梁质量大小密切相关，不稳定原因与分组求解以及耦合作用有关。　　4.编制车、桥空间耦合振动的动力分析程序，可以进行单线、双线的客车或货车过桥的动力分析以及列车过桥静力分析、模态分析。该软件的主要特点是：可以对所采用的列车进行任意的编组。5.应用车桥动态耦合振动理论，研究了整车模型下，轮对蛇行运动和轮轨横向相互作用的规律和主要影响因素，研究表明：蛇行运动是多频率合成的随机运动，蛇行波特征主要受轨道不平顺的影响；轨道方向不平顺速度与车辆耦合产生的横向力是轮轨相互作用力的主要部分，桥梁振动与车辆耦合产生的轮轨横向力是次要的部分；轮轨的横向力和作用的频率随车速的提高而增大。6.对车桥竖向振动和横向振动的强弱耦合关系进行了初步探讨。分析表明：轨道高低不平顺，桥梁竖向刚度变化对车桥横向振动的影响不大，但车辆轴重的增大，将加大桥梁的横向振幅及桥梁横向加速度，对桥梁横向振动有较大的影响。　　7.应用车桥动态耦合振动理论，仿真分析轻重混编列车通过中小跨度桥梁振动过程。计算结果与现场实测结果在振动特征上具有一致性，从而从理论上分析了轻重混编列车通过中小跨度桥梁振动加剧的机理。　　8.根据梁跨结构车桥耦合振动响应的机理和规律分析了评定桥梁横向动力性能的合适参数，讨论了我国铁路桥梁检定规范和设计规范桥梁横向动力性能评定参数取值的合理性和存在问题。　　9.分析了墩体设计对梁跨横向振动的影响，从墩体设计对梁跨动力影响的角度提出了制定墩台刚度合理限值参数的研究新思路。所得结论是：墩体对梁跨横向振动的影响主要因素是墩顶的抗推刚度，墩体质量对梁跨结构振动的影响关系不大。本文提出墩顶临界刚度、墩梁刚度比和墩顶刚度对墩梁自振特性变化影响在三个区域划分的概念，对桥梁设计具有重要参考意义。　　10.应用能量分析法以单孔模型推导了多孔简支梁墩梁体系横向自振频率基频和振型特性的解析计算公式。该公式将墩体对梁跨结构自振特性的影响表示为梁跨结构自振频率与折减系数相乘积的简单形式，解析式计算与有限元计算吻合良好。解析式对揭示墩体刚度、质量以及与不同刚度梁跨结构组合时，墩、梁体系横向自振特性的变化规律具有重要作用，并可供设计人员在墩体设计时对桥梁动力特性进行估计时参考使用。　　11.根据墩梁自振特性的变化规律，提出了墩顶横向刚度容许值制定方法，并推导了制定墩顶横向刚度容许值公式和算例。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2车桥振动的古典理论

1.2.1静力法

1.2.2移动常量力过桥分析

1.2.3移动简谐力过桥分析

1.2.4移动质量过桥分析

1.2.5移动弹簧质量过桥分析

1.3车桥振动研究的现代理论

1.3.1计算模型

1.3.2计算理论和计算方法

1.3.3激振源问题

1.3.4目前车桥横向耦合振动分析激振源处理方法

1.4提速出现的主要问题与目前国内外研究现状

1.4.1列车提速出现的主要问题

1.4.2关于桥梁梁跨结构横向刚度限值问题的研究与现状

1.4.3关于提速线桥梁墩台横向刚度限值问题的研究与现状

1.5本文主要的工作

第二章桥梁计算模型与动力平衡方程

2.1结构刚度矩阵的形成

2.2质量矩阵

2.2.1一致质量矩阵

2.2.2集中质量矩阵

2.3阻尼矩阵

2.4单元节点间的位移、速度、加速度及杆端力表达式

2.5结构边界弹性约束问题的处理

2.6桥梁位移与轨道位移之间的转换关系

第三章车辆计算模型和动力平衡方程

3.1车辆的基本构造简述

3.2车辆计算模型与振动的基本形式

3.3车辆振动运动方程：

3.3.1车辆振动运动方程参数说明

3.3.2二系悬挂车辆振动方程

3.3.3一系悬挂车辆振动方程

3.4系数矩阵的组装

3.4.1刚度矩阵元素的组装方法

3.4.2阻尼矩阵和质量矩阵的确定

第四章轮轨接触蠕滑力的计算

4.1蠕滑的基本概念

4.2赫芝接触理论

4.3蠕滑率

4.4蠕滑系数

4.5蠕滑力的计算

4.6轮对重力刚度和重力角刚度

4.6.1等效踏面斜度

4.6.2轮对重力刚度

4.6.3轮对重力角刚度

4.7轮对运动方程、减载率以及脱轨系数表达式

第五章车桥振动耦合原理与求解方法

5.1车桥耦合振动方程求解的基本方法

5.2轮轨之间位移、速度的耦合关系

5.3车、桥子系统振动方程振动荷载

5.3.1车辆动力平衡方程振动荷载

5.3.2桥梁动力平衡方程的振动荷载

5.4轨道位移、速度和加速度的概念和构成

第六章车桥动力方程数值解法与计算精度、稳定性

6一动力平衡方程的数值解的WILSON-p法

6.2车桥振动方程分组求解与迭代

6.3车桥振动数值解的稳定性和精度的分析

第七章程序编制与程序主要功能

7.1程序框图

7.1.1主程序模块及框图

7.1.2车辆过桥动力计算分析模块及框图

7.2程序主要功能和特点

7.3程序计算正确性考核

7.3.1结构总刚矩阵正确性考核

7.3.2自振频率和振型计算正确性考核

7.3.3程序动力计算的正确性考核

第八章梁跨结构动力性能与车桥耦合振动机理研究

8.1轨道不平顺速度项对车桥动力响应的影响分析

8.1.1轨道不平顺的速度、加速度的计算方法

8.1.2轨道不平顺的速度、加速度量值分析

8.1.3轨道不平顺速度项对车桥动力响应的影响分析

8.1.4本节结论

8.2轮对蛇行及轮轨横向作用力的规律研究

8.2.1自由轮对蛇行运动规律

8.2.2整车状态下考虑轮轨蠕滑力作用轮对蛇行运动规律研究

8.2.3轮轨相互作用力主要影响因素研究

8.2.4结论

8.3车桥竖向、横向之间的振动耦合分析

8.3.1桥梁竖向、横向之间的振动耦合关系分析

8.3.2轨道高低不平顺的变化对车桥横向振动的影响

8.3.3轴重大小对车桥横向振动的影响

8.3.4桥梁竖向刚度变化对车桥横向振动的影响

8.3.5结论

附图

8.4混编货车通过中小跨度桥梁振动特性及其机理分析

8.4.1轻重混编货物列车振动的特征

8.4.2计算模型及列车编组状况说明

8.4.3轻重混编混编货物列车车桥动力响应机理分析

8.4.4结论

8.5桥梁横向动力性能限值参数取值依据的研究

8.5.1速度、桥梁刚度、轨面平顺度对车桥动力响应影响

8.5.2桥梁横向刚度限值参数类型合理选择分析

8.5.3铁路桥梁横向刚度限值大小制定依据的讨论

第九章梁桥墩体横向动力性能的研究

9.1我国规范墩顶横向刚度限值条文制订根据和存在的问题

9.2本章研究主要思路和技术路线

9.3墩、梁结构体系自振特性规律研究

9.3.1墩梁结构计算模型

9.3.2墩、梁体系自振特性规律研究

9.3.3临界梁墩刚度比

9.3.4墩体质量大小对梁跨横向自振特性的影响

9.4墩梁体系结构车桥振动动力特性规律研究

9.4.1.墩顶横向刚度对梁体车激振动的影响分析

9.4.2墩身质量变化对梁跨结构车桥动力特性的影响

9.5墩梁体系自振特性能量法分析

9.5.1计算模型与位移函数

9.5.2墩梁体系自振特性能量法分析

9.5.3能量法分析与有限元分析结果的比较

9.5.4墩梁体系自振特性变化规律分析

9.6墩体横向刚度限值制定方法研究

9.7结论

第十章结论与进一步研究的问题

10.1车桥耦合振动理论和车桥横向动力性能研究的工作成果

10.2研究过程中发现的一些尚待解决的问题

主要参考文献

附录A：结构单元刚度矩阵

附录B：车辆质量、阻尼、刚度矩阵中各元素表达式

致谢