列車荷載及地震作用下隔震鐵路橋梁的動(dòng)力性能研究.pdf

1、目前隔震技術(shù)主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)和公路橋梁中，能夠起到隔離地震并且消耗傳到結(jié)構(gòu)上的地震能量的作用，有效減小地震作用下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，但一直很少應(yīng)用于鐵路橋梁中。鐵路橋梁是有軌線路，車輛的編組形式和車輛運(yùn)行速度等影響因素眾多，分析復(fù)雜，關(guān)于隔震鐵路橋梁在列車作用下和地震作用下的動(dòng)力性能還不夠明確。目前中國(guó)鐵路列車不斷提速，列車對(duì)軌道的平順性要求更加嚴(yán)格。為使隔震技術(shù)能夠應(yīng)用于高速鐵路橋梁，使橋梁在地震作用下滿足安全性要求，并滿足列車運(yùn)行的安全

2、性和舒適性的要求，本文做了如下幾方面研究：
　　1.建立了隔震鐵路橋梁縱橋向的車橋動(dòng)力分析模型，將列車簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)模型，隔震橋梁采用空間有限元模型，通過輪對(duì)與軌道的縱橋向相互作用力將車輛系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)聯(lián)系起來。通過力的平衡關(guān)系，建立列車的動(dòng)力平衡方程，用四五階龍格庫(kù)塔方法進(jìn)行求解得到輪對(duì)制動(dòng)力時(shí)程，采用二次離散方法將移動(dòng)輪對(duì)制動(dòng)力時(shí)程轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)固定節(jié)點(diǎn)的制動(dòng)力時(shí)程，實(shí)現(xiàn)空間離散過程；通過通用有限元軟件ANSYS對(duì)橋梁進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)

3、分析，完成時(shí)間離散過程。分析結(jié)果表明：采用隔震設(shè)計(jì)的鐵路橋梁，在縱橋向制動(dòng)力作用下，橋梁的縱向位移響應(yīng)大于非隔震橋梁的位移響應(yīng)，隔震設(shè)計(jì)后可以使制動(dòng)力在各個(gè)墩臺(tái)間的分布更加合理。列車最不利的停車位置位于列車第一輪對(duì)出橋時(shí)。
　　2.采用模態(tài)綜合法建立了車橋耦合振動(dòng)模型，利用MATLAB軟件編寫了垂橫向的車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析程序，進(jìn)行了鉛芯橡膠雙向隔震支座鐵路橋梁的橫橋向和豎向的車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)分析，分析中采用27個(gè)自由度的車輛模型

4、，分析了在軌道的不平順和輪對(duì)的蛇形運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下，隔震橋梁的隔震周期和彈性隔震度、以及車輛行駛速度等因素對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明，采用常規(guī)的鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)方法的隔震鐵路橋梁，在列車過橋時(shí)產(chǎn)生較大的橫向動(dòng)位移，不能滿足列車運(yùn)行安全性的要求。要使雙向隔震技術(shù)應(yīng)用于鐵路橋梁需要對(duì)鉛芯橡膠支座進(jìn)行限位。
　　3.采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了鉛芯橡膠支座雙向隔震橋梁在設(shè)計(jì)地震和罕遇地震作用下縱橋向和橫橋向的時(shí)程響應(yīng)分析，分析結(jié)果表明

5、，采用鉛芯橡膠支座隔震鐵路橋梁，在強(qiáng)震作用下取得了較好的隔震效果，但在設(shè)計(jì)地震和多遇地震作用下，隔震支座發(fā)生屈服，產(chǎn)生較大的位移，對(duì)于鐵路橋梁容易引起軌道設(shè)備的破壞，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的安全性，增加的對(duì)軌道維護(hù)的難度和工作量，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
　　4.為了限制鉛芯橡膠支座隔震鐵路橋梁在多遇地震和設(shè)計(jì)地震作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)的位移，設(shè)計(jì)了耗能型限位裝置和非耗能型限位裝置，為隔震支座提供足夠的初始剛度和屈服強(qiáng)度，兩類裝置主要具有如下

6、特點(diǎn)：
　　a.耗能型限位裝置：在設(shè)計(jì)地震和多遇地震作用下，限位器和鉛芯橡膠支座處于彈性工作階段，限位裝置起到理想的限位作用，在罕遇地震作用下，限位裝置先于鉛芯橡膠支座進(jìn)入屈服階段，組合隔震支座起到隔震耗能作用。耗能型限位裝置主要研究了X形鋼板耗能限位器和X形鋼棒雙向耗能限位器。
　　b.非耗能型限位裝置：不具有塑性發(fā)展階段，達(dá)到彈性極限即破壞。在設(shè)計(jì)地震和多遇地震作用下，限位裝置和鉛芯橡膠支座處于彈性工作階段，罕遇地震作用

7、下，限位裝置發(fā)生破壞，退出工作，由鉛芯橡膠支座單獨(dú)工作，充分發(fā)揮鉛芯橡膠支座的隔震減震作用。非耗能型限位器主要研究了X形脆性鋼板和細(xì)長(zhǎng)頸部的X形鋼棒。
　　5.分別對(duì)以上幾種限位器進(jìn)行了材料性能和構(gòu)件的力學(xué)性能靜力試驗(yàn)研究，為模型橋梁有限元分析中的模型本構(gòu)關(guān)系和滯回關(guān)系的輸入提供的試驗(yàn)依據(jù)。設(shè)計(jì)了三跨連續(xù)隔震鐵路橋梁模型，對(duì)采用鉛芯橡膠支座和三種組合隔震支座的橋梁模型在縱橋向進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性以及