大跨度钢桁梁斜拉桥无砟轨道桥面系车致局部振动及弹性减振垫层优化研究

摘要

随着高速铁路建设的大力发展，大跨度钢桁梁钢桥在高速铁路中的应用逐渐增多，车辆引起的桥面系局部振动不容忽视，本文基于显示动力学软件LS-DYNA，采用车-轨-桥耦合的分析方法，以大跨度钢桁梁斜拉桥为研究对象，分析了无砟轨道三种垫层刚度下桥面系的局部振动规律及桥面系的频谱特性，通过优化弹性减振垫层，从而降低桥面系的动力响应。本文的主要内容如下:
　　首先，介绍了车辆、无砟轨道、大跨度钢桁梁斜拉桥各部分的结构参数，给出了车辆-无砟轨道-大跨度钢桁梁斜拉桥垂向动力学的假设前提和简化方法，通过弹性垫层刚度等效、轮轨接触线性化、轨道不平顺的模拟，基于显示动力学软件LS-DYNA，建立了车辆-无砟轨道-大跨度钢桁梁斜拉桥的垂向动力学模型。
　　其次，采用显示动力学的计算方法，通过中心差分法理论，基于车-轨-桥耦合的方式，采用CRH2车辆模型，分析了三种弹性减振垫层刚度下道床板、底座板及桥面板在车速为200km/h时的局部振动特性，对比分析不同位置处的局部振动加速度及位移响应。
　　最后，针对三种弹性减振垫层，通过频谱分析，研究了轨道结构下方响应的加速度频率分布规律，通过将不同刚度的弹性减振垫层进行组合，优化无砟轨道弹性减振垫层的布置方式，从而降低轨道结构下方桥面系的振动响应，得出无砟轨道弹性减振层的最优化组合方式，主要研究结果表明:
　　1)对比计算节间桥面系不同位置处的竖向加速度及位移RMS值变化规律可知，不同弹性减振垫层刚度下，桥面系不同位置处的竖向加速度RMS值变化规律相似，且弹性减振垫层刚度越小，桥面系不同位置处竖向加速度RMS值响应也越小。弹性减振垫层对上部结构（道床板）的位移影响较大，且减振垫层刚度越大，位移越小。弹性减振垫层对下部结构（底座板、桥面板）影响与道床板相反，减振垫层刚度越大，位移越大。
　　2)频谱分析表明:在0～500Hz全频段范围内，三种弹性减振垫层刚度下桥面系加速度的频谱特性基本一致，主频主要分布于低频部分(11.9Hz)和高频部分(180Hz～500Hz)，且在180～500Hz频率范围内振动密集，主要峰值频率分别为11.9Hz和181.9Hz。低频部分(11.9Hz)，低刚度弹性减振垫层刚度(0.05N/mm3)引起的桥面系振动能量最小，在高频部分(180Hz～500Hz)高刚度弹性减振垫层(0.15N/mm3)引起的桥面系振动能量较小。
　　3)不同刚度组合弹性减振垫层对桥面系的频率分布影响不大，但对于不同频段下能量分布影响显著，综合道床板、底座板及桥面系分析可知，采用弹性减振垫层按横向分布为两侧高刚度、中间低刚度能较弹性减振垫层按同种分布能取得较好的减振效果，尤其是对是道床板的减振效果明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 无砟轨道动力学国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 钢桁梁斜拉桥发展概况

1．3．1 钢桁梁斜拉桥主要特点

1．3．2 国外发展概况

1．3．3 国内发展概况

1．4 研究目的与意义

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第2章 车辆-无砟轨道-大跨度钢桁梁斜拉桥垂向动力模型

2．1 LS-DYNA软件介绍

2．2 车辆模型

2．3 无砟轨道模型

2．3．1 钢轨单元

2．3．2 扣件及桥面系

2．3．3 道床板与底座板

2．3．4 弹性减振垫层等效计算

2．4 大跨度钢桁梁斜拉桥模型

2．5 车辆-无砟轨道-大跨度钢桁梁斜拉桥垂向动力模型

2．5．1 轮轨接触关系

2．5．2 轨道不平顺

2．6 本章小结

第3章 无砟轨道桥面系车致局部振动性能研究

3．1 中心差分法计算理论

3．2 模型的加载方式

3．3 计算工况及振动监测点设置

3．4 六节间桥面系动力特性

3．5 道床板动力响应

3．6 底座板动力晌应

3．7 桥面板动力响应

3．8 本章小结

第4章 无砟轨道弹性减振垫层优化研究

4．1 频谱分析理论

4．1．1 三分之一倍频程理论

4．2 桥面系频谱特性分析

4．3 弹性减振垫层优化

4．3．1 道床板频谱特性

4．3．2 底座板频谱特性

4．3．3 桥面板频谱特性

4．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目