風(fēng)-列車-線路-橋梁系統(tǒng)耦合振動(dòng)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(qiáng)風(fēng)作用的機(jī)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(guó)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(gè)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(dòng)力分析模型，并編制了相應(yīng)的橋梁動(dòng)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(shí)

2、地反映了風(fēng)、列車、橋梁之間的氣動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的時(shí)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(gè)車體、兩個(gè)轉(zhuǎn)向架和四個(gè)輪對(duì)的多剛體系統(tǒng)，每個(gè)剛體均考慮橫向、垂向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭自由度，共35個(gè)自由度，同時(shí)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(zhǎng)枕埋入式無碴軌道動(dòng)力學(xué)模型，鋼軌模擬成離散彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的無限長(zhǎng)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(dòng)力學(xué)模型。其次介紹了軌道不平順、脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)的模擬方法，討論了風(fēng)、列車、線路和橋梁四個(gè)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(dòng)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(shí)脫離，采用Hertz非線性彈性接觸理論計(jì)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(dòng)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(jìn)行風(fēng)-車輛-線路-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力方程的求解，編制了相應(yīng)的計(jì)算程序WTTBDAS，采用多種數(shù)值算例和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其功能和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)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(yùn)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(duì)車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析。在橫風(fēng)作用下，詳細(xì)討論了不同風(fēng)荷載、風(fēng)速大小、列車運(yùn)行速度等因素對(duì)風(fēng)-列車-線路-橋梁系統(tǒng)的

5、動(dòng)力響應(yīng)的影響，并對(duì)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(dòng)分析模型，拓展了現(xiàn)有車線橋耦合振動(dòng)分析模型的應(yīng)用范圍。研究表明：⑴不同車型對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律不完全相同，不同車輛對(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(duì)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(duì)橋梁的位移影響很小，但

6、對(duì)橋梁的加速度響應(yīng)有一定的影響；軌道不平順對(duì)車輛和軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響很大。⑷無風(fēng)時(shí)，車輛運(yùn)行速度對(duì)橋梁、軌道和車輛的動(dòng)力響應(yīng)影響均很大；單、雙線行車對(duì)橋梁的影響較大，而對(duì)車輛和線路結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響較小。⑸橋梁上的靜風(fēng)對(duì)橋梁的位移有較大的影響，對(duì)橋梁加速度、軌道和車輛的動(dòng)力響應(yīng)影響很小；車輛上的靜風(fēng)力對(duì)系統(tǒng)的垂向響應(yīng)影響不大，但對(duì)橫向響應(yīng)影響很大；風(fēng)的脈動(dòng)成份對(duì)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(dòng)力響應(yīng)。⑹車輛、軌道和橋梁