大跨度板桁斜拉桥无砟轨道静动力特性研究

摘要

随着我国高速铁路的快速发展，越大江、大河的大跨度板桁斜拉桥的修建也越来越多。无砟轨道由于其具有良好的结构恒定性、稳定性、耐久性、少维修性、经济性等技术特点，近年来在国内外高速铁路上得到了广泛的应用。大跨度板桁斜拉桥和无砟轨道由于其自身结构特性，在列车荷载作用情况下两者之间可能存在静力匹配和动力适应的问题。针对大跨度板桁斜拉桥无砟轨道静动力特性的研究，国内外较为少见。因此，有必要对大跨度板桁斜拉桥无砟轨道静动力特性开展研究。
　　 本文以有限元软件ANSYS为静力计算工具，以显式动力学分析程序LS-DYNA为动力计算工具，以LS-PREPOST为后处理工具，对大跨度板桁斜拉桥无砟轨道静动力特性进行研究。
　　 首先，建立三节间梁-体-壳局部精细化ANSYS模型，将板桁斜拉桥和无砟轨道作为一个系统研究其静力学特性。
　　 其次，建立了五种不同布置方式的道床板、底座板有限元模型。分析和对比了不同道床板布置情况下桁架节间内的轨道整体刚度及其变化规律，对比了大跨度板桁斜拉桥上、普通线路上及混凝土简支桥上无砟轨道整体刚度之间的差异，明确了大跨度板桁斜拉桥无砟轨道整体刚度的特点。
　　 采用非线性弹簧单元和接触单元两种方法模拟弹性减振垫层与道床板的接触关系，计算了节间内不同位置处道床板局部脱空的可能性、脱空量和脱空区域，对比了不同道床板布置情况下的脱空量和不同弹性减振垫层刚度组合情况下的脱空量，并提出了降低脱空量的优化方案。
　　 再次，利用显式动力分析方法，建立了列车-无砟轨道-大跨度板桁斜拉桥局部桥面系垂向振动模型，将车、轨、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合振动系统。
　　 最后分析了桥面板、道床板局部振动在节间内的分布规律和特性，研究了大跨度板桁斜拉桥设置底座板的必要性，对比了不同车速对桥面板、道床板振动的影响，并通过时域分析和频谱分析提出了合理的弹性减振垫层刚度取值。
　　 静力分析结果表明，大跨度板桁斜拉桥正交异性桥面板刚度不均匀对轨道整体刚度有一定的影响，无砟轨道自身结构不连续对轨道整体刚度在纵向位置上的均匀性影响显著。大跨度板桁斜拉桥无砟轨道设计时应充分考虑桥梁结构的影响，以保证轨道结构与桥梁结构的匹配性。跨越主横梁处的道床板在板端区域存在与底座板脱空的可能性，最大脱空量与荷载作用位置及道床板布置形式有关，宜优先选择道床板在主横梁处断开的布置方式。弹性减振垫层采用两端刚度小、中间刚度大的布置方式能够明显的降低脱空量和脱空区域。
　　 动力分析结果表明，大跨度板桁斜拉桥无砟轨道桥面系设计中沿纵向采用密横梁体系，在横向设置多道纵梁，这种结构形式能够降低桥面板的局部振动。底座板的设置明显的降低了轨道结构下方区域、两条线路纵梁之间区域桥面板的加速度响应以及接缝边缘道床板的加速度响应。轨道结构下方桥面板的最大竖向加速度峰值随车速提高而增大，道床板的最大竖向加速度峰值随车速提高而增大。列车设计速度较高时，道床板的长度应尽量与节间长度匹配，避免出现道床板跨越主横梁的情况。综合时域分析和频谱分析结果，弹性减振垫层刚度宜优先选择0.05N/mm3。
　　 本文工作对于进一步研究大跨度板桁斜拉桥无砟轨道的静动力特性具有一定的参考价值，为大跨度钢桥无砟轨道的设计提供依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外的研究现状

1．2．2 国内的研究现状

1．3 研究目的与意义

1．4 本文主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 大跨度板桁斜拉桥无砟轨道分析模型

2．1 三节间局部精细化有限元模型

2．1．1 轨道结构

2．1．2 桥梁结构

2．1．3 有限元模型

2．2 显式动力学分析模型

2．2．1 列车-无砟轨道-大跨度板桁斜拉桥桥面系的垂向振动模型

2．2．2 轮-轨垂向接触关系的线性化

2．2．3 轨道不平顺

2．3 本章小结

第3章 大跨度板桁斜拉桥无砟轨道静力特性

3．1 无砟轨道桥面竖向静力刚度特性

3．1．1 轨道结构布置方式对轨道整体刚度均匀性的影响

3．1．2 与路基上轨道整体刚度的比较

3．1．3 与普通简支桥上轨道整体刚度的比较

3．2 大跨度板桁斜拉桥无砟轨道道床板局部脱空及优化

3．2．1 计算方法及其可靠性

3．2．2 道床板局部脱空的范围及脱空量

3．2．3 无砟轨道构造形式优化

3．3 本章小结

第4章 大跨度板桁斜拉桥无砟轨道动力性能

4．1 时间步长的设置

4．2 稳定时间的设置

4．3 桥面系垂向动力特性

4．4 桥面板、道床板的动力响应分布规律

4．5 底座板对动力响应的影响

4．6 列车速度对动力响应的影响

4．7 弹性减振垫层刚度对动力响应的影响

4．7．1 减振效果的时域分析

4．7．2 减振效果的频谱分析

4．8 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的项目及发表的论文