強風作用下列車-汽車-橋梁時變系統(tǒng)的動力響應及行車安全性、舒適性研究.pdf

1、風-列車-汽車-橋梁耦合振動的研究對行車安全與舒適、橋梁結構設計與養(yǎng)護具有十分重要的意義。本文的主要工作如下：
　　 1、完善了列車空氣動力模型。列車簡化為彈簧阻尼相連的多剛體體系。作用于列車上的風包括列車運動風和自然風。風對列車的氣動力主要由風與列車相對速度的大小以及相關的列車氣動系數(shù)等確定。而列車氣動系數(shù)的確定，除了考慮列車本身外形及其附近橋梁斷面形狀的影響外，還與相對風與列車運行方向的偏轉角(即風偏角)有關。相對風的大小可

2、根據(jù)列車車速、平均風速及其該時刻該節(jié)列車車廂質心所對應主梁位置處的脈動風速來計算。
　　 2、建立了兩種汽車空氣動力模型。一種是“汽車接觸點側滑模型”，可模擬極短時間內突然風對橋上運行汽車的瞬時影響，適用于突然風作用下開展橋上汽車運行安全性評估；另一種是“汽車接觸點非側滑模型”，可模擬一定持續(xù)時間內在特定條件下自然風對橋上運行汽車的影響，適用于持續(xù)風作用下同時開展橋上汽車運行安全性、舒適性評估。這兩種模型汽車分別采用了不同的自由

3、度數(shù)，不同的汽車輪胎與橋面相互作用力模擬計算方法，但風對汽車氣動力的模擬計算方法相同，而且均與風對列車氣動力的模擬計算方法類似。
　　 3、分別建立了鐵路橋梁、公路橋梁以及公鐵兩用橋的空氣動力分析模型。橋梁結構本身采用空間有限單元來模擬，大跨橋梁可考慮幾何非線性的影響。而風對橋梁的氣動力主要包括靜風力、抖振力和自激力，橋梁氣動力的大小主要由平均風速、脈動風速及橋梁的氣動系數(shù)等確定。而橋梁氣動系數(shù)的確定，不僅與主梁斷面本身形狀有關

4、，還需考慮梁上列車(或汽車)外形的影響。故計算主梁氣動力時，對于主梁附近是否有車，采用了不同的氣動系數(shù)。對于高墩大跨橋梁，還可同時考慮作用在主梁和高墩氣動力的影響。對于脈動風速的模擬，可考慮不同水平位置及不同高度的空間相關性。
　　 4、提出了一種高效、實用的分析方法來建立風-汽車-列車-線路-橋梁時變系統(tǒng)的空間耦合振動方程。該方法易于計算機實施，可方便考慮不同類型汽車和列車、不同車流分布、列車的單雙線行車、不同路面粗糙度、不同

5、軌道不平順、不同列車速度、不同汽車速度、不同自然風速等實際情況的影響。提出了相應的數(shù)值算法-“差分解耦法”和“預測-隱式積分法”，可精確高效的求解空間耦合振動方程，該方法在每一時間積分步內不需要迭代也不需要重新生成剛度、阻尼、質量矩陣。
　　 5、基于“Visual Fortran6.5”編制了“風-汽車-列車-線路-橋梁”大型耦合計算“VSI”(Vehicle and Structure Interaction dynamic

6、 program)程序，該程序具有良好的通用性，可以模擬常見的不同類型的橋梁、汽車和列車。開展橋梁風致振動、橋梁動力特性、風-列車-橋梁耦合振動、風-汽車-橋梁耦合振動、風-汽車-列車-橋梁耦合振動等的計算。通過“殘差監(jiān)視”保證方程求解的精度，通過“車輛預警”實時監(jiān)視車輛的運行狀態(tài)。
　　 6、開展了風-高速列車-線路-簡支梁耦合振動分析。以高速鐵路32m簡支梁為工程背景，建立了簡支梁橋的有限元模型。然后開展了無風期間高速列車-

7、線路-簡支梁振動分析，主要探討了列車車速、單雙線行車等對車橋系統(tǒng)動力響應的影響，根據(jù)車橋動力響應計算結果和相關規(guī)范、標準對橋梁動力性能和高速列車運行安全性、舒適性進行了評估。接著開展了強風期間高速列車-線路-簡支梁振動參數(shù)分析，探討了列車車速、自然風速、軌道不平順、車輛氣動系數(shù)、橋梁氣動系數(shù)等參數(shù)對車橋動力響應的影響。最后分別計算了四種不同平均風速下高速列車以不同車速通過多跨簡支梁橋時的車橋動力響應，根據(jù)計算結果和相關規(guī)范標準，得到了確

8、保列車安全舒適通過簡支梁時對應的列車臨界車速，提出了多風期間確保列車安全運營和橋梁正常使用的控制標準。
　　 7、研究了風-汽車-連續(xù)剛構橋耦合振動。建立了高墩大跨連續(xù)剛構橋--坪子上大橋的有限元模型。首先通過與一成熟軟件計算結果對比，驗證了本程序的可靠性。然后計算了無風時車速和單雙線行車對車橋振動響應的影響。隨后采用兩種方法，研究了不同風速下汽車通過剛構橋的振動響應，根據(jù)建立的安全性和舒適性指標，對汽車進行了評估，進而確定了不

9、同路面狀況和行車速度下的臨界風速。最后通過橋梁風致振動和風-車-橋耦合分析，探討了風和汽車對橋梁振動響應的影響。
　　 8、開展了風-汽車-列車-公鐵兩用橋耦合振動分析。以重慶朝天門大橋為工程背景，建立了公鐵兩用橋有限元模型，計算了橋梁動力特性。然后分別開展了七種工況的仿真計算分析：公鐵兩用橋的風振分析、列車-公鐵兩用橋振動分析、風-列車-公鐵兩用橋振動分析、汽車-公鐵兩用橋振動分析、風-汽車-公鐵兩用橋振動分析、汽車-列車-公

10、鐵兩用橋振動分析、風-汽車-列車-公鐵兩用橋振動分析。得到了不同工況下汽車、列車、公鐵兩用橋的最大空間振動響應及其時程曲線，并分別探討了風、汽車和列車對橋梁動力響應的影響；風、汽車對列車振動響應的影響；風、列車對汽車振動響應的影響。最后對公軌兩用橋的動力性能及強風作用下橋上列車、汽車運行安全性、舒適性進行了評估。計算結果表明：汽車對列車振動響應影響很小。列車使汽車的橫向振動加大，但對汽車安全性影響很小。風對汽車和列車的豎向振動影響較小，