風(fēng)-列車-線路-橋梁系統(tǒng)耦合振動研究.pdf

1、高速鐵路大跨度橋梁的增多，使得列車在特大跨度橋上遇到強風(fēng)作用的機率越來越高。因此，橫風(fēng)作用下行車的安全性和舒適性、線橋結(jié)構(gòu)的安全性等問題也越發(fā)突出，但目前這方面的研究還很少。本文在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，全面考慮了風(fēng)、列車、軌道和橋梁四個因素，提出了一種較為完善的風(fēng)-列車-線路-橋梁系統(tǒng)耦合動力分析模型，并編制了相應(yīng)的橋梁動力分析軟件WTTBDAS。該模型全面考慮了風(fēng)-橋相互作用、風(fēng)-車相互作用、輪-軌相互作用，橋-軌相互作用，較為真實

2、地反映了風(fēng)、列車、橋梁之間的氣動耦合作用關(guān)系以及列車、軌道和橋梁之間的幾何、力學(xué)耦合關(guān)系及整個系統(tǒng)的時變特性。
　　 本文首先建立了比較完善的高速鐵路四軸車輛模型，將車輛視為包含一個車體、兩個轉(zhuǎn)向架和四個輪對的多剛體系統(tǒng)，每個剛體均考慮橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點頭自由度，共35個自由度，同時考慮了車輛懸掛系統(tǒng)的各種非線性因素；建立了有碴軌道、長枕埋入式無碴軌道動力學(xué)模型，鋼軌模擬成離散彈性點支承基礎(chǔ)上的無限長Euler梁，軌枕及

3、離散后的道床視為剛性質(zhì)量塊；采用有限元法建立橋梁的動力學(xué)模型。其次介紹了軌道不平順、脈動風(fēng)速場的模擬方法，討論了風(fēng)、列車、線路和橋梁四個子系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系。輪軌相互作用采用了新型的動態(tài)輪軌關(guān)系，可以考慮輪軌之間的彈性接觸變形和輪軌瞬時脫離，采用Hertz非線性彈性接觸理論計算輪軌間的法向力；風(fēng)橋、風(fēng)車相互作用考慮了車輛位置和橋道間氣動系數(shù)的相互影響，考慮了橋梁上的靜風(fēng)力、抖振力和自激力，車輛上的靜風(fēng)力和抖振力。采用顯式和隱式相結(jié)合的

4、混合積分法進行風(fēng)-車輛-線路-橋梁系統(tǒng)動力方程的求解，編制了相應(yīng)的計算程序WTTBDAS，采用多種數(shù)值算例和試驗結(jié)果對其功能和可靠性進行了驗證。最后以一座跨徑布置為65+221+560+221+65m的高速鐵路特大跨度斜拉橋方案為工程背景，從車輛運行速度、單雙線行車、車型、軌道結(jié)構(gòu)型式、軌道不平順等方面對車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)進行了分析。在橫風(fēng)作用下，詳細討論了不同風(fēng)荷載、風(fēng)速大小、列車運行速度等因素對風(fēng)-列車-線路-橋梁系統(tǒng)的

5、動力響應(yīng)的影響，并對風(fēng)速閥值的確定方法做了介紹。
　　 本研究完善了目前橫風(fēng)作用下的車橋耦合振動分析模型，拓展了現(xiàn)有車線橋耦合振動分析模型的應(yīng)用范圍。研究表明：⑴不同車型對系統(tǒng)的動力響應(yīng)規(guī)律不完全相同，不同車輛對系統(tǒng)動力性能的影響除了靜軸重以外，還與列車車軸彈簧阻尼情況、空氣彈簧彈性系數(shù)等多種參數(shù)有關(guān)。⑵有碴軌道和無碴軌道結(jié)構(gòu)型式對系統(tǒng)的響應(yīng)有一定的影響，但均能滿足特大跨度橋梁高速行車的要求。⑶軌道不平順對橋梁的位移影響很小，但

6、對橋梁的加速度響應(yīng)有一定的影響；軌道不平順對車輛和軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響很大。⑷無風(fēng)時，車輛運行速度對橋梁、軌道和車輛的動力響應(yīng)影響均很大；單、雙線行車對橋梁的影響較大，而對車輛和線路結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響較小。⑸橋梁上的靜風(fēng)對橋梁的位移有較大的影響，對橋梁加速度、軌道和車輛的動力響應(yīng)影響很??；車輛上的靜風(fēng)力對系統(tǒng)的垂向響應(yīng)影響不大，但對橫向響應(yīng)影響很大；風(fēng)的脈動成份對系統(tǒng)的影響較大；考慮風(fēng)的作用能顯著增加系統(tǒng)的動力響應(yīng)。⑹車輛、軌道和橋梁