明桥面钢桁梁桥伸缩装置动力性能及其对货运线路行车影响研究

摘要

明桥面钢桁梁桥以其造价低，设计施工方便，适应大跨度桥梁刚度需求等优势而在货运线路中发挥着重要的作用。随着应用于大跨明桥面钢桁梁桥上的梁端伸缩装置与配套钢轨伸缩调节器实现国产自主化，明确梁端伸缩装置在服役中的性能以及其对桥上行车中的轮轨相互作用力和车辆动力性能的影响对保障线路运营安全有着重要的意义。　　本文以在新建东营港疏港铁路上应用了新式梁端伸缩装置的刁口河特大桥主桥为研究对象，采用ANSYS与SIMPACK联合仿真的方法，在多种因素的作用下，进行了货运列车在桥上运行的全过程动力仿真分析研究，主要研究内容如下：　　(1)建立了包括钢桁梁主桥、混凝土引桥、明桥面桥上轨道结构及梁端伸缩装置的精细化分析模型。充分考虑了桥上轨道结构的非线性因素。在结合当地气候条件及钢桁梁桥温度分布特性的基础上，对钢桁梁桥升温与降温两种情形分别进行了计算。明确了梁端伸缩装置的伸缩性能，并提取了钢桁梁桥受温度影响变形而导致的桥上轨道线路不平顺曲线，随后将其与我国提速干线不平顺谱时域样本叠加，作为动力仿真的不平顺激励。　　(2)对铺装明桥面轨道结构的钢桁梁桥柔性系统模型采用子结构分析进行自由度缩减以提高仿真分析效率。选取了适当的主自由度并对比了在有限元中桥梁结构的低阶自振模态计算结果，验证了自由度缩减的准确性。　　(3)建立了包含机车与货车的8编组多体动力学模型，并考虑了刚体之间力元的非线性力学特性。在梁端附近位置钢轨伸缩调节器区通过对钢轨轨头型面离散，以实现在钢轨伸缩调节器区轮轨接触几何关系动态变化的目的。考虑了恰当的轮轨力计算方法，并对列车与柔性轨道桥梁进行组装，形成了车桥系统动力分析模型。　　(4)设置了多种分析工况，分别探究了钢轨伸缩调节器型面变化、钢轨伸缩调节器与轨道桥梁柔性基础共同作用以及两个因素叠加桥上轨道不平顺对轮轨力，行车平稳性及舒适性的影响。最后，根据梁端伸缩装置的伸缩情况，调整了梁缝活动轨枕的间距，对比了在极限拉伸与压缩状态下梁端伸缩装置的动力性能。　　本文研究方法与成果可为梁端伸缩调节装置在货运线路明桥面钢桁梁桥上的设计与应用提供参考依据。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 明桥面钢桁梁桥与桥上轨道结构特点及现状

1.2 桥上伸缩装置研究现状

1.2.1 梁端伸缩调节装置

1.2.2 钢轨伸缩调节器

1.3 车桥耦合研究现状

1.4 本文研究意义及主要内容

1.4.1 现有研究的不足

1.4.2 研究意义

1.4.3 本文主要研究内容

第2 章温度变化引起大跨钢桁梁桥上轨道不平顺

2.1 工程背景

2.2 桥梁-轨道系统结构参数

2.2.1桥梁主体结构

2.2.2 桥上伸缩装置结构

2.2.3 明桥面桥上轨道布置

2.2.4 混凝土引桥

2.3 钢桁梁桥空间有限元模型

2.4 温度荷载取值

2.5 桥上线路平顺性受温度影响分析

2.5.1 边界条件与计算假定

2.5.2 升温工况

2.5.3 降温工况

2.6 本章小结

第3 章 明桥面钢桁梁与货运列车耦合模型

3.1 桥梁动力模型

3.1.1子结构模态综合法

3.1.2 桥梁自振特性

3.2 列车动力模型

3.2.1 铁路车辆多体系统动力学理论

3.2.2 货车多体系统动力模型

3.2.2 机车多体系统动力模型

3.3 MBS 车桥耦合方法

3.3.1 弹性体在MBS中实现原理

3.3.2 柔性桥梁与多刚体车辆系统数据交换

3.4 钢轨伸缩调节器区轮轨接触几何关系

3.4.1 桥上线路轨头型面拟合

3.4.2 轮轨接触几何关系

3.4 桥上轨道线路不平顺

3.4.1 轨道随机不平顺谱

3.4.2 桥梁温度变形与轨道不平顺叠加

3.5 本章小结

第4 章明桥面伸缩装置动力性能及其对行车影响

4.1 车-线-桥系统性能评价标准

4.1.1 行车安全性指标

4.1.2 行车平稳性指标

4.1.3 桥梁动力性能指标

4.1.3 梁端伸缩装置动力性能指标

4.2 车-线-桥动力性能分析

4.2.1 计算工况

4.2.2 车体振动加速度与平稳性指标

4.2.3 轮轨作用力与安全性指标

4.2.4 桥梁跨中动力响应

4.2.5 伸缩装置动力响应

4.2.5 梁端伸缩装置不同伸缩状态下的动力性能

4.3 梁端伸缩调节装置连接纵梁结构优化

4.4 本章小结

结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文