考虑桩土相互作用的车-线-桥空间耦合振动研究

摘要

近几年来，我国高速铁路事业蓬勃发展，随着运营里程不断增加、运行速度不断加快，车辆、轨道和高速铁路桥梁的动力耦合相互作用变得越来越显著。同时，高速铁路的大量修建对桥梁的动力响应、车辆运营安全性和乘客舒适性也提出了更高的要求。
　　 运用车辆-轨道-桥梁振动理论，建立了车辆、轨道和桥梁动力学模型。将四轴车辆简化为7个刚体，共35个自由度，将钢轨考虑成Euler梁，将轨枕和道床均视为刚体，简要介绍了车辆～轨道结构动力学方程。采用有限元方法，运用Hamilton变分原理，推导了桥梁结构动力有限元方程。通过模拟轮轨接触关系和桥轨关系将车辆、轨道和桥梁三个子系统联系起来，比较全面地建立了车-线-桥耦合动力分析模型，最后采用新型快速显示积分方法求解车轨动力学方程，运用Newmark-β隐式积分法求解桥梁动力学方程。
　　 本文基于桥梁结构桩基受力机理，采用“承台底等效刚度”和“桩基-土弹簧”两种方法考虑了桩土相互作用。以某双线客运专线60+2×100+60 m连续梁为工程研究背景，分别采用“承台底刚接”(高承台在自由桩底刚接)、“承台底等效刚度”、“桩基-土弹簧”三种不同地基处理方法，建立了桥梁有限元模型，对各模型进行了自振特性和车-线-桥动力响应的对比分析，最后对桩土参数中桩基类型、基桩间距、桩径大小和土层m值的动力影响规律进行了初步分析，得出考虑桩土相互作用对桥梁的横向响应影响较大；通过调整基桩间距和桩径大小，可以优化桩基设计；最后确定了土层m值的敏感性范围。