大跨多线高速铁路钢桁拱桥车——桥振动安全预警研究

基于南京大胜关长江大桥健康监测系统,对高速列车行车工况下大跨多线铁路桥梁的振动响应进行在线识别。根据大跨多线铁路桥振动加速度幅值会在1个或多个车速点存在明显峰值的特征,提出基于小波包分解法和区间估计理论的车—桥振动安全预警方法。依据不同行车工况下桥梁振动加速度响应幅值、高速列车车速的相关性,采用小波包分解法提取反映桥梁结构振动加速度幅值随车速变化的桥梁加速度幅值在列车车速坐标上的中值线;采用区间估计理论,得到反映桥梁运营过程中桥上列车载客量和轨道不平顺状况等随机因素对车—桥振动影响的桥梁加速度幅值围绕中值线的波动区间;最终基于加速度幅值—车速中值线和加速度幅值波动区间,实现运营中大跨多线高速铁路钢桁拱桥车—桥振动性能的安全预警。     

大胜关大桥吊杆振幅的长期监测与分析

以大胜关大桥吊杆为研究对象,应用桥梁健康监测系统对高速列车通过时的吊杆振幅进行长期监测,研究不同荷载工况下吊杆振幅的长期时变规律。分析结果表明:高速列车通过时,吊杆纵向振幅响应大于横向振幅响应,吊杆纵向振幅和横向振幅长期变化曲线均呈现出明显的随机性;高速列车作用下吊杆的纵向振幅和横向振幅与列车车速、结构温度之间没有明显的相关性;采用log-logistic分布函数可以很好地描述各工况下吊杆横向振幅和纵向振幅的概率密度统计特性;通过确定各工况下吊杆振幅的分级预警阈值,可以有效评估吊杆的健康状态,为大胜关大桥的安全运营提供技术保障。     

既有线列车荷载下大悬臂转体桥动力响应研究

研究目的:随着我国“交通强国”战略的进一步推进,交通建设中交叉线路越来越多,转体桥梁的施工形式使用越来越频繁。转体桥梁广泛应用于跨越已有铁路的工程建设中,但目前对于转体桥梁在既有铁路列车荷载下的结构振动空间响应规律和传递机制的研究相对较少。本文以石嘴山特大桥(637号墩、638号墩)为依托,利用振动加速度传感器测试在仅球铰接触且大悬臂状态下,转体桥受普速列车荷载下结构响应数据,对转体桥梁结构的动态加速度响应、动态位移响应及加速度时程信号的振动希尔伯特能量谱进行分析。研究结论:(1)在既有线普速列车荷载下转体桥梁下承台要先于上承台达到竖向加速度峰值点,且其峰值大于上承台;(2)结构加速度幅值在转体桥梁梁体向梁端的传递过程中出现放大现象,且加速度时程曲线会出现“往复式”波动,表明振动波与固有频率发生共振,加速度响应峰值分布曲线在空间上呈“V”形对称分布;(3)桥梁梁端产生的动态竖向位移响应相对较大,梁体各测点的竖向位移响应峰值呈现“W”形对称分布;(4)转体球铰对振动波的中、高频段具有明显的滤波减振作用;(5)振动波在梁端出现了较为明显的驻波效应,且中、高频段的振动波衰减较快,低频段的振动...     

南京大胜关长江大桥主梁加速度响应的长期监测与分析

针对现有规范对铁路桥梁的振动加速度限值不适用于大跨度高速铁路桥梁的情况,本文通过分析南京大胜关长江大桥桥梁结构健康监测系统长期监测得到的桥梁结构响应数据,研究列车过桥工况下主梁振动加速度峰值的变化规律,并与车速、轴重进行相关性分析。研究结果表明:在单一列车过桥工况下,主梁加速度峰值集中在固定的变化区间,且服从正态分布;桥梁振动加速度峰值与车速不存在线性相关性,与列车轴重存在线性相关性;动应变响应有叠加交汇工况下,加速度峰值约为单一列车过桥工况的1.4倍;现有运营条件下,大胜关桥梁振动加速度响应正常,能保证列车的行车安全。     

基于车桥耦合动力分析的桥梁动应力计算方法

为充分反映列车与桥梁的动力相互作用,建立三维车辆模型及桥梁有限元模型,依据轮轨接触关系形成车桥耦合动力系统模型;考虑轨道不平顺的随机激励作用,求解车桥系统动力方程,得到桥梁节点的振动响应。在此基础上,计算桥梁构件单元的动应力响应时程。以CRH2型动车组通过某跨度为80m的下承式钢桁梁桥为例,计算分析各局部杆件的动应力时程及不同杆件的应力动力放大系数。结果表明:所给出的计算方法考虑了桥梁横向振动的影响以及轨道不平顺激励,能够真实反映列车荷载作用下桥梁局部构件的动应力响应;在列车荷载作用下下承式简支钢桁梁桥各类杆件中的危险杆件并不一定出现在桥梁跨中,动应力响应沿桥跨方向呈现出与位移响应幅值不同的空间分布趋势;不同类型杆件的应力动力系数不相同;现行规范中关于运营动力系数的计算不能真实反映不同车速下桥梁杆件应力的动力放大效应。     

高速铁路正交异性钢桥面板关键结构细节动力系数试验研究

结合高速动车组通过南京大胜关长江大桥时主桥正交异性钢桥面板典型结构细节动应力的测试,研究与铁路桥梁疲劳性能紧密相关的不同车速条件下正交异性钢桥面板典型结构细节的动力系数.结果表明,各结构细节的传统应力极值动力系数离散性偏大,基本上处于1.0～2.0之间,个别甚至小于1.0.因此,综合考虑动车组高速通过时桥梁整体振动与桥面板局部振动叠加、整体动应力与局部动应力叠加对结构细节局部动应力最大、最小值分配比例的影响,针对采用正交异性钢桥面板的高速铁路桥梁,提出结构细节的动力系数应以应力幅动力系数代替传统应力极值动力系数.与应力极值动力系数相比,应力幅动力系数的离散性显著降低,其值基本上集中在1.0～1.6之间,且没有出现小于1.0的情况.     

南京大胜关长江大桥轻轨列车走行性研究

以南京大胜关长江大桥使用托架结构搭载轨道交通为研究背景,基于车桥耦合振动分析理论对轻轨列车走行性进行分析。结果表明:轻轨列车以不同负载状态和车速运行时,桥梁结构的动力响应均较小,列车的运行安全性和乘坐舒适性均为优;车辆负载状态对桥梁及车体的振动响应有较大影响;车辆脱轨系数、轮重减载率、倾覆系数、车体振动加速度、舒适性指标均随车辆负载减小而增大,轻轨列车的安全性主要由空载状态控制。     

制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应分析

为研究制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应问题,建立车辆子系统模型和无砟轨道-桥梁子系统模型。根据高速列车制动减速度特性曲线确定列车制动力,利用Hertz理论求解轮轨力,通过交叉迭代法求解有限元数值方程。以4节编组的CRH2型动车组在桥上无砟轨道制动为例,进行系统动力响应分析。研究结果表明:轨道、桥梁结构的纵竖向位移和加速度均逐层递减,梁端处轨道结构的竖向振动比跨中处大;列车制动过程中列车速度逐渐减小引起轨道结构的竖向动力响应也减小;列车停车后,轨道结构和桥梁的纵向位移反向突变、纵向加速度突变,随后都有自由衰减的趋势;列车停车瞬间,列车和桥梁出现纵向最大振动。研究成果可为桥上无砟轨道的设计提供理论支持。     

海南西环线既有桥梁动载试验研究

就提速改造之前的海南西环线8座桥梁的9孔梁进行了动载试验。采用列车通过桥梁时,梁体跨中动挠度、梁体跨中竖向振动与梁体跨中和桥墩墩顶横向振动、梁体跨中横向振动加速度、支座竖向动位移和横向动位移测试,确定桥梁结构的动力系数、振动特征、裂缝状态,用以评定结构在动载作用下的工作状态确定桥梁的可靠性。通过相关关系分析,揭示桥梁结构动力学特性差异的原因。     

横风作用下高速列车-板式轨道系统空间振动分析

基于高速列车-板式轨道系统空间振动分析理论,考虑横风作用效应,建立了风-高速列车-板式轨道系统振动分析模型,推导了列车风荷载势能;将它与列车振动势能及板式轨道振动势能相加,得出系统振动总势能;根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立系统空间振动矩阵方程,并编制了相应计算程序.分析了横风作用下高速列车和板式轨道的动力响应.研究结果表明:横风对车体的横向及竖向位移、轮重减载率、倾覆系数等有很大影响,对脱轨系数、横向Sperling 指标有一定的影响,而对钢轨的横向及竖向位移影响很小.     

钢-混凝土连续组合铁路桥梁综合动力性能试验研究

通过对某客运专线的钢-混凝土连续组合板梁铁路桥和连续组合箱梁铁路桥的综合动力性能试验,测试在高速列车通过时钢-混凝土组合连续梁桥的自振特性、动挠度、竖横向振幅、竖横向加速度、墩顶横向振幅、支座位移、脱轨系数、轮重减载率和轨道力等动力响应和安全指标。采用车桥耦合振动理论对2座组合梁桥进行动力仿真分析,对桥梁的动力性能、试验列车运营的舒适性和安全性进行预测,结合已有相关规范,分析实测资料并综合评价2种类型组合梁铁路桥体系的各种性能。试验结果表明,在高速列车荷载作用下,2座组合梁桥梁体及墩身应力增量很小,支座位移也很小;实测梁体竖向自振频率符合相应的规范要求;在高速列车荷载作用下,梁体跨中挠度、横向振幅、竖横向加速度和墩顶横向振幅以及桥梁中跨跨中的脱轨系数、轮重减载率和轨道力符合相应的规范要求。     

基于行车安全的连续轨道桥梁抗震设计研究

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,以轨道交通中广泛使用的连续轨道桥梁为研究对象,通过建立的地震荷载作用下车—轨—桥系统动力响应分析模型,模拟了列车在不同强度和卓越频率的人工地震波作用下过桥的全过程,分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对车辆与桥梁结构动力响应的影响;采用日本关于行车安全度的评价指标(脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力)作为地震时桥上车辆运行安全的评定标准,以列车脱轨临界状态时的桥梁动力响应作为桥梁振动的限值,统计得到了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,绘制了桥梁振动限值曲线,并利用拉格朗日插值法得到曲线的数学表达式。研究结果表明,规范规定的桥梁横向位移限值有时不能满足地震作用下车辆运行安全的要求,对位于地震区的连续轨道桥梁横向振动位移限值的确定需要考虑地震动强度和频谱特性的影响。     

基于行车安全的连续轨道桥梁抗震设计研究北大核心

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,以轨道交通中广泛使用的连续轨道桥梁为研究对象,通过建立的地震荷载作用下车—轨—桥系统动力响应分析模型,模拟了列车在不同强度和卓越频率的人工地震波作用下过桥的全过程,分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对车辆与桥梁结构动力响应的影响;采用日本关于行车安全度的评价指标(脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力)作为地震时桥上车辆运行安全的评定标准,以列车脱轨临界状态时的桥梁动力响应作为桥梁振动的限值,统计得到了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,绘制了桥梁振动限值曲线,并利用拉格朗日插值法得到曲线的数学表达式。研究结果表明,规范规定的桥梁横向位移限值有时不能满足地震作用下车辆运行安全的要求,对位于地震区的连续轨道桥梁横向振动位移限值的确定需要考虑地震动强度和频谱特性的影响。     

直逆向过岔时列车-道岔-连续刚构桥系统空间振动分析

针对桥上无缝道岔,运用有限单元法,建立钢轨-岔枕-桥梁系统空间振动分析模型。运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了列车-道岔-桥梁系统空间振动方程组。以温福客运专线田螺大桥为例,拟定桥上铺设了由2组38号道岔组成的单渡线,计算“中华之星”电动车组,按一动四拖的编组方式,以200 km/h的速度直逆向通过时,列车-道岔-桥梁系统空间振动响应,并与列车通过路基无缝道岔和桥上无缝线路的动力响应进行对比。计算结果表明,桥梁导致钢轨和岔枕的位移增幅较大,列车动力响应有所增加,对道岔振动加速度和轮轨力影响不显著;道岔导致桥梁振动加速度小幅增加,而列车动力响应显著增大。     

悬挂式单轨轨道梁桥在列车制动力作用下的动力响应

以中唐悬挂式单轨试验线为依托,采用有限元软件建立结构模型,分别计算了3种列车制动力作用下轨道梁桥的动力响应.结果 表明:在列车制动力作用下,轨道梁梁端纵向位移和墩底剪力呈波浪式增大;列车在轨道梁上制动完成时,轨道梁在纵向呈衰减振动;列车制动力越大,轨道梁梁端纵向位移、速度、加速度和墩底剪力也越大,并且列车制动完成后的振幅也越大.     

大轴重列车作用下桥梁结构的动力响应研究

研究目的:为研究大轴重列车作用下桥梁结构的动力响应,本文以30 t大轴重列车和重载铁路线上常用跨度32 m预应力混凝土简支T梁为研究对象,结合现场实测数据,基于多体动力学理论和有限元法建立大轴重列车-轨道-桥梁三维耦合精细化有限元模型,并验证有限元模型的准确性。通过计算大轴重列车作用下桥梁结构的动力响应,分析大轴重列车编组长度、列车轴重、列车运行速度以及桥墩高度等因素对桥梁结构动力响应的影响规律。研究结论:(1)当列车编组数达到6节以后,列车编组数增加仅影响桥梁结构的动力响应持续时间,不会对桥梁结构的动力响应峰值产生影响,在计算长大编组列车通过中小跨度桥梁时可简化为6节编组进行计算;(2)桥梁结构的动力响应与重载列车的轴重有较明显的相关性,桥梁跨中竖向位移和跨中横向位移均随着列车轴重的提高而增加,增幅呈近似线性增加的趋势;桥梁跨中竖向加速度和跨中横向加速度均随着列车轴重的提高而逐渐增加,且增幅越来越大;(3)桥梁结构的动力响应均随着列车运行速度的提高而增加,跨中加速度响应随列车运行速度的提高增幅比跨中位移响应增幅大;(4)桥梁墩高的变化对桥梁结构的竖向动力响应影响较小,而对横向动力响应影响较大;(5)本研究成果可为重载铁路桥梁的设计和既有线铁路桥梁强化改造提供参考。     

高速铁路南京大胜关长江大桥地震响应分析

采用大型通用有限元软件ANSYS,建立南京大胜关长江大桥主跨的连续钢桁架拱桥的有限元模型,运用反应谱分析法对全桥结构进行地震响应分析.选用经过加速度幅值调整的El-Centro地震波作为输入地震波,进行大跨度连续钢桁架拱桥一致激励下以及4种不同波速地震行波作用下的全桥结构内力和位移时程响应分析.分析结果表明:南京大胜关桥的整体结构较柔,采用反应谱法计算地震波作用下的桥梁地震响应和采用时程分析法得到的一致激励和多点激励下的桥梁地震响应差别较大,多点激励下的横桥向和竖向地震位移响应是一致激励地震时程计算得到的位移响应的2～3倍;在地震波波速为500或1 000 m·s-1时,桥梁结构关键位置杆件的弯矩达到最大.因此,在进行大跨度拱桥的地震响应动态时程分析时,应该考虑多点激励,以反映桥梁结构在真实地震作用下的实际受力状态和变形性能.     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

复杂地质大直径盾构隧道列车振动响应分析

对于高速铁路大直径盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性具有重大意义。以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为背景,基于ANSYS有限元方法,采用列车-轨道系统确定列车荷载后,计算不同工况下高速列车振动荷载对软硬不均地层大直径盾构隧道结构的影响,选取不同计算模型对比分析往复荷载作用下隧道地基累积变形的特征。计算表明:(1)双线同时有列车荷载作用时,产生的动力响应更为显著,且与两车间隔的时间有关,当间隔时间为振动周期的倍数时,振动效应最大;(2)较之主应力,列车振动对隧道位移和加速度的影响更加明显;(3)双线列车振动发生时间的偏差会引起响应的振动时程曲线产生约等于Δt的偏移现象,且振动幅值也会偏移,结构的动力响应与地层的动力响应(位移、加速度和主应力)存在相似的变化规律;(4)随着列车运行时间的累加,隧道基底土的累积塑性变形逐渐增大,但随着时间推移后期的增长速率明显减慢;(5)针对佛莞城际铁路狮子洋隧道,近东莞侧隧道基底以砂土为主,建议采用Anand J.Puppala模型进行累积塑性沉降计算;近广州侧隧道基底以淤泥为主,建议采用DingQing Li模型进行累积塑性沉降计算。     

直线电机列车作用下高架桥的动力响应分析

建立直线感应电机(LIM)运载系统中列车与高架桥梁的动力相互作用空间分析模型,它由车辆模型和有限元桥梁模型组成。对具有2个转向架的4轴LIM列车车辆建立27个自由度的车辆动力模型。通过对有限元桥梁模型采用模态综合技术,以轨道不平顺作为系统的激励源,建立LIM列车和高架桥梁的耦合运动方程组,并编制计算分析程序。以一座3跨30 m简支梁高架桥为例,模拟LIM列车上桥、出桥的全过程,计算分析高架桥梁的自振特性及其在LIM列车通过时的动力响应特点。研究表明:由LIM列车引起的桥梁横、竖向位移响应值较小,远小于铁路规范的容许值;桥梁的竖向挠度主要受列车的重力荷载控制;桥梁最大横向位移响应出现在墩顶处,随着墩高和车速的增大而增大。