汽车撞击荷载及其作用下高速列车与桥梁系统动力响应与列车运行安全研究

摘要

随着国内外交通事业的迅速发展，铁路桥梁跨度不断增大，列车速度不断提高，桥梁的振动问题日趋突出。与此同时，随着交通事务日益繁忙，汽车撞击桥梁结构的事故也越发频繁。本文在国家重点基础研究计划“973”项目“高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全基础研究(2013CB036203)”、国家自然科学基金项目“汽车撞击引起的桥梁振动对高速列车运行安全的影响研究(51308035)”的资助下，针对汽车撞击荷载引起的桥梁结构振动以及由此引发的桥上高速列车的运行安全问题，展开了较深入的研究，主要研究内容和创新点包括:
　　(1)对国内外桥梁遭受汽车撞击而引发重大事故的情况和相关的研究现状进行了综述，阐述了研究汽车撞击荷载引起的桥梁振动和列车运行安全问题的必要性，总结了一般情况下车桥动力相互作用问题的研究内容及主要研究方法，说明了论文的选题意义和立项依据。
　　(2)结合国内外铁路、公路设计规范和相关研究成果，参考船舶、流冰等撞击桥梁过程中撞击荷载的既有研究，总结了汽车撞击荷载的设计方法（总体平均法、局部平均法、简化荷载脉冲法、等效位移法）以及理论分析、数值模拟和试验结果。分析了汽车撞击荷载的持时、最大幅值、作用位置等特点，为确定列车-桥梁系统动力分析模型中的汽车撞击荷载取值方法提供了依据。
　　(3)建立了汽车撞击荷载作用下的车桥耦合系统动力分析模型，编制了相关的计算程序。车辆模型采用多刚体动力学方法建立，桥梁模型采用振型叠加法建立，轮轨垂向作用力按照轮轨密贴假定定义，轮轨横向作用力按照简化的Kalker蠕滑理论定义，汽车撞击力作用时程以节点动荷载模拟。提出了一种适用于快速评估汽车撞击作用下桥上列车行车安全评估的简化模型，经对比发现简化模型能大大提高计算效率且计算结果总体上偏于安全。
　　(4)利用车—轨—桥耦合动力试验平台，通过模型试验定性研究了横向撞击力对桥梁及桥上车辆运行安全的影响规律。通过观察发现撞击过程中桥墩底部动应变、墩顶动位移、墩顶加速度，梁的横向动位移和加速度，以及车辆的三向车体加速度等动力响应大幅提高，影响行车安全。
　　(5)选取现役铁路线路上典型桥梁进行试验，鉴于实际撞击的昂贵性和破坏性，采用力锤横向敲击力代替汽车横向撞击力，对桥梁及桥上车辆运行安全的影响规律进行初步探讨。结果表明，横向撞击使桥梁的动力响应大幅度增加，并对车辆运行安全有潜在隐患。根据试验响应和输入量进行拉普拉斯变化求得墩梁的传递函数，将汽车撞击力时程在频域内与传递函数相乘后的结果进行IFFT变化，假设撞击过程中桥梁处于线形状态，求出的响应在工程领域内作为汽车撞击作用下桥梁响应的快速估算。
　　(6)利用所建立的计算模型和自编程序，以京沪高铁南京大胜关长江大桥南引桥32m简支梁桥为实例，按照德国低干扰谱谱轨道不平顺条件，通过模拟计算，考虑有无汽车撞击两种情况，对德国ICE3列车的脱轨系数等运行安全指标进行了时程分析，验证了简化模型的计算效率和可靠性，可用于工程人员快速评估汽车撞击对列车行车安全。结果表明汽车荷载撞击桥梁对高速列车的影响不可忽略。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高速铁路的发展

1．1．2 汽车撞击引起的桥梁破坏

1．1．3 汽车撞击作用下桥梁振动研究现状

1．1．4 桥梁结构振动问题

1．1．5 车桥耦合振动问题研究现状

1．2 车桥耦合振动问题基本研究方法

1．3 本文主要研究内容和思路

1．4 本章小结

2 汽车撞击荷载

2．1 汽车模型

2．2 桥墩模型

2．2．1 混凝土本构模型

2．2．2 桥墩模型

2．3 汽车撞击桥墩的有限元仿真

2．3．1 碰撞过程分析

2．3．2 车速对撞击力的影响

2．3．3 车速对墩顶位移影响

2．3．4 撞击角度对撞击力的影响

2．3．5 汽车载重对撞击力的影响

2．4 等效静力计算及模型实验验证

2．4．1 等效静力计算方法

2．4．2 简化脉冲法的模型实验验证

2．5 本章小结

3 汽车撞击荷载作用下车桥系统动力分析模型

3．1 车辆模型

3．1．1 基本假定

3．1．2 车辆运动方程的建立

3．2 轮轨关系

3．2．1 轮轨垂向密贴假定

3．2．2 轮轨横向蠕滑理论

3．3 桥梁模型

3．3．1 桥梁模型的基本假定

3．3．2 桥梁模型的建立

3．4 汽车撞击荷载

3．5 轨道不平顺

3．6 汽车撞击荷载作用下车桥系统运动方程建立和求解方法

3．7 车辆安全性指标简化评估算法

3．7．1 基本原理

3．7．2 计算流程

3．8 本章小结

4 模型实验研究

4．1 实验目的

4．2 实验平台

4．3 实验测试设备

4．4 实验方案

4．5 实验结果分析

4．5．1 时程响应分析

4．5．2 桥梁和车辆动力响应随撞击力的变化规律

4．6 本章小结

5 现场实验研究

5．1 试验目的

5．2 测试设备

5．3 朔黄铁路219桥——32m T形简支梁桥试验

5．3．1 试验概况

5．3．2 试验方案及实施

5．3．3 试验结果

5．4 京沪高铁大胜关长江大桥南引桥-32m箱形简支梁桥实验

5．4．1 试验概况

5．4．2 实验方案及实施

5．4．3 试验结果

5．5 桥梁响应数据拟合

5．5．1 敲击朔黄219桥

5．5．2 京沪高铁南京大胜关长江大桥南引桥敲击墩底1．2m试验

5．6 传递函数计算桥梁动力响应

5．7 本章小结

6 汽车撞击荷载作用下车桥动力响应及行车安全分析

6．1 京沪高铁32m简支梁桥及车辆计算参数

6．1．1 桥梁参数及自振特性分析

6．1．2 车辆参数

6．1．3 轨道不平顺

6．1．4 汽车撞击荷载

6．2 简化算法有效性验证

6．2．1 复杂算法计算结果

6．2．2 简化算法计算结果

6．2．3 复杂算法与简化算法计算结果对比

6．3 基于简化算法的列车行车安全性分析

6．3．1 列车运行安全性指标研究

6．3．2 汽车撞击速度对列车运行安全指标的影响

6．3．3 不同重量汽车撞击桥墩变化规律

6．3．4 不同跨度桥梁遭遇撞击变化规律

6．3．5 不同刚度桥墩遭遇撞击变化规律

6．3．6 不同类型高速列车遭遇撞击变化规律

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文主要研究工作

7．2 论文主要研究结论

7．3 论文主要创新点

7．4 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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