基于應變的輕軌梁橋線形監(jiān)測及其變化對列車運行性影響研究.pdf

1、輕軌高架橋作為城市軌道交通工程的主要形式之一，具有投資少、建設周期短、對地面交通影響小等突出優(yōu)點，得到廣泛應用。針對輕軌簡支梁橋、連續(xù)梁橋兩種應用最為廣泛的橋型開展線形監(jiān)測（橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱）及其變化對列車運行性影響研究，是科學制定預警限值的必然路徑，對確保輕軌列車在高架梁橋上安全運行具有重要意義。作者通過理論推導、試驗研究及數(shù)值分析，在基于應變監(jiān)測的線形識別方法、車橋耦合動力學、線形致變性等方面開展了部分研究工作。主要內(nèi)容如下

2、:
　　1.基于應變的輕軌梁橋線形監(jiān)測方法與試驗研究
　　(1)以對稱轉(zhuǎn)角模式下鋼軌-簡支梁體-橋墩整體模型為基礎，通過數(shù)值分析驗證鋼軌與梁體豎向變形具有一致性，奠定基于軌底可測應變監(jiān)測簡支梁橋橋墩差異沉降的理論基礎;通過理論推導，建立了沉降致鋼軌應變與簡支梁橋橋墩差異沉降之間的解析表達式，解析式物理意義明確、表達形式簡單。
　　(2)基于固定支座模型和墩柱支承變剛度模型分別開展了輕軌連續(xù)梁橋橋墩差異沉降致變性研究，從

3、墩柱沉降、支座反力、梁體彎矩等方面開展了比較分析;以三跨連續(xù)梁橋為研究對象，構(gòu)建了基于應變的連續(xù)梁橋橋墩差異沉降識別理論，并通過安裝有兩種應變傳感器的三跨連續(xù)梁橋模型試驗驗證了理論解析式，多種工況下的理論結(jié)果與試驗測試結(jié)果在趨勢和數(shù)值上均吻合良好;還提出了基于應變的連續(xù)梁橋橋墩差異沉降識別策略，即監(jiān)測方案→有無沉降→沉降定位→沉降定量。
　　(3)從基本力學原理出發(fā)，利用應變獲取截面曲率值，采用最小二乘法擬合得到曲率函數(shù)，通過對曲

4、率函數(shù)的二次積分求解，建立了基于應變獲取撓度曲線函數(shù)的基本方法;并結(jié)合某預應力混凝土箱梁的原型加載試驗，驗證了方法具有較高精度且求解過程方便易行，適于在輕軌梁橋或不便于直接測量撓度的梁式構(gòu)件應用。
　　2.考慮線形變化的輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)耦合模型與動力評估
　　(1)詳細論述了輕軌列車、軌道、橋梁等各子系統(tǒng)的動力學物理模型，通過Hertz彈性接觸理論、彈簧-阻尼單元分別實現(xiàn)輪軌、橋軌相互作用關系;運用逆傅氏變化法生成了

5、軌道隨機不平順時域樣本，采用強迫位移法、均布線荷載調(diào)控法分別實現(xiàn)了動力求解前橋墩差異沉降、梁體下?lián)?上拱初始態(tài)的定量控制。從系統(tǒng)動力學角度提出線形變化時輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的建模方法;采用移動質(zhì)量彈簧系統(tǒng)代替輕軌列車車輛模型，開展移動質(zhì)量彈簧系統(tǒng)-簡支梁模型的動力求解之解析解推導，通過解析解與基于ANSYS平臺輪軌接觸算法所得數(shù)值解的比較分析，驗證了數(shù)值分析方法和所得結(jié)果的可靠性，即間接證明了基于ANSYS平臺開展輕軌列車-軌道-橋

6、梁相互作用系統(tǒng)的動力分析是可靠的，為開展車橋系統(tǒng)動力性能評估和線形致變性研究提供基礎。
　　(2)基于驗證的輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)建模理論與方法，以某市輕軌高架線簡支梁橋、連續(xù)梁橋區(qū)段為研究對象，基于有限元軟件ANSYS和多體動力學理論，分別建立兩種橋型（簡支梁橋、連續(xù)梁橋）兩種運行方式（單線、相向）對應的四類輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)三維可視化有限元模型，開展了車橋相互作用系統(tǒng)的動力分析與評估;系統(tǒng)研究了輕軌列車運行速度對相互作

7、用系統(tǒng)動力性能的影響，結(jié)果表明，車速對梁體豎向變形無顯著影響，伴隨車速增加，輪重減載率增加，運行平穩(wěn)性變差。
　　3.輕軌梁橋線形變化對輕軌列車運行性影響及預警限值確定
　　采用考慮線形變化的輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)實時耦合動力分析模型，研究橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱、車速、運行方式等因素對輕軌列車過橋時運行安全性、平穩(wěn)性的影響。結(jié)果表明:(a)輕軌列車運行于多跨簡支梁橋工況:在車速與梁體線形相同時，運行方式對輕軌列車運行安全

8、性無顯著影響;車速較低時(40km/h、60km/h)，運行方式對車體最大豎向加速度基本無影響，車速≥80km/h后影響顯現(xiàn);Sperling指數(shù)對輕軌列車運行方式的影響有很好區(qū)分度，相向運行大于單線運行。綜合分析可知，車速是影響輕軌列車運行安全性、平穩(wěn)性最主要的因素，其次是梁體線形變化，而運行方式影響程度最小。(b)輕軌列車運行于連續(xù)梁橋工況:在車速與梁體線形相同時，運行方式對輪重減載率、車體最大豎向加速度、Sperling指數(shù)均無顯

9、著影響;影響輕軌列車運行安全性、平穩(wěn)性最主要的因素仍是車速，其次是梁體線形變化，而運行方式對其基本無影響。
　　針對本文開展的以簡支梁橋和連續(xù)梁橋組成的輕軌線路工程，在運營速度段(V≤80km/h)當橋墩沉降≤30mm或梁體下?lián)?上拱≤20mm時，輕軌列車均可滿足安全、平穩(wěn)運行要求;伴隨車速提高，梁體線形演變?yōu)橹骺匾蛩兀缂訌娋€形監(jiān)控和軌道維護，該輕軌線路具有提速運行空間，即可以提速至100km/h運行。
　　本文創(chuàng)新點如下

10、;
　　(1)以對稱轉(zhuǎn)角模式下鋼軌-簡支梁體-橋墩整體模型為基礎，建立了基于鋼軌應變的輕軌簡支梁橋橋墩差異沉降監(jiān)測方法;利用連續(xù)梁橋內(nèi)力重分布機制，建立了基于梁體應變的連續(xù)梁橋橋墩差異沉降監(jiān)測方法。
　　(2)從系統(tǒng)動力學角度建立了考慮輕軌梁橋線形變化（橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱）的列車-軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)實時耦合動力分析模型。
　　(3)深入研究了橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱、車速、運行方式等因素對輕軌列車過橋運行性能