大跨度公轨两用钢桁梁斜拉桥车桥耦合效应及影响参数研究

"抱轨"行驶是跨座式单轨交通的一个显著特点.针对单轨列车与双层桥面钢桁梁斜拉桥的车桥耦合动力性能,以主跨468 m牛田洋大桥为工程背景,基于ANSYS及SIMPACK等软件建立车桥空间耦合动力模型开展联合仿真,研究不同行车速度、不同列车特性下的车、桥动力响应,并对行车安全性等进行了评估.研究结果表明:列车在通过桥梁时的竖向动力效应较弱,位移冲击系数约在1.1以内,且桥梁竖、横向位移响应均与车速无显著联系;竖向位移随过桥车辆数目的增加而增大,横向位移在单线行车时明显大于双线对开工况;桥梁与车体振动加速度均随车速递增,且车体横向振动程度大于竖向;跨座式单轨列车在列车正常行驶速度100 km/h以内通过该大跨度斜拉桥时,桥梁的动力性能优良,桥上列车具备良好的乘坐舒适性.     

跨座式单轨交通轨道梁刚度对乘坐舒适性影响研究

参考已有车桥系统空间耦合振动模型,研究某市跨座式单轨交通Z206-25梁,利用fortran90软件编写程序。参考高速铁路评价方法,基于Sperling指标和车体加速度值评价车辆乘坐舒适性,研究轨道梁竖向与横向刚度的变化对车辆乘坐舒适性的影响。结果表明,轨道梁刚度对车辆乘坐舒适性影响很大,并且采用不同的评判准则,轨道梁刚度与乘坐舒适性之间的关系不同,有必要进一步研究轨道梁的刚度限值。     

大跨度公路城轨两用斜拉桥车桥耦合振动分析

用多刚体结构模拟车辆,空间杆系单元模拟桥梁,建立车桥耦合动力系统。以某公轨两用斜拉桥为例,分别采用空间杆系单元模型与空间杆系—板混合单元模型分析了桥梁的自振特性,两种模型的计算结果吻合较好。针对空间杆系单元模型,采用动力时程分析方法,计算了轻轨车和汽车以不同车速通过该桥时的车桥耦合空间振动响应。计算结果表明:桥梁具有足够的竖向与横向刚度,车辆通过桥梁时的舒适性与安全性能满足要求,轻轨车和汽车同时过桥时相互之间存在影响。     

风力作用下悬挂式单轨车辆-桥梁 系统耦合振动仿真研究

悬挂式单轨交通系统主梁通常为下开口钢箱梁,结构刚度小,车辆在风力作用下易发生横向摆动,从而 影响结构安全性和乘车舒适性。以某旅游专线项目 30 m 跨度简支段为工程背景,进行不同风速和不同车速下的 动力响应仿真分析。采用有限元软件建立桥梁模型,采用多体系动力学软件建立车辆和轨道模型,将车辆、轨道 系统和桥梁系统作为一个完整的系统进行联合仿真计算。采用 CFD 软件计算桥梁和列车的静力三分力系数和风 荷载,并将静风力叠加到模型中形成风-车-桥耦合振动模型。计算结果表明,桥梁的横向动位移和竖向动位移随 风速的增大而增大,横向位移变化更加明显,但随车速的增大,动位移变化不明显;车辆的平稳性随风速和车速 增大而逐渐降低,车辆的横向平稳性对平均风更加敏感;所有工况中,车辆的竖向和横向 Sperling 系数最大值分 别为 2.49 和 2.62,表明运行车辆具有良好的平稳性。基于通用有限元软件和多体动力学软件进行风车桥耦合动力 分析的联合仿真方法是可靠高效的;研究成果可为悬挂式单轨交通系统的抗风设计与应用提供参考。     

跨座式单轨车辆-轨道梁耦合振动的计算分析

研究目的:为评定跨座式单轨交通的行车平稳与乘坐舒适性能,对车辆与轨道梁的动力相互作用进行研究,建立跨座式单轨系统空间耦合振动模型并编制程序进行仿真分析,计算评价标准形式PC轨道梁的动力特性,探讨不同车速、载客状态对系统动力响应的影响水平。研究结论:(1)轨道梁跨中竖向挠度和横向位移与车速的关系不明显,跨中横、竖向加速度和墩顶横向振幅、加速度随车速的提高而增大,载客量的增加会增大轨道梁跨中竖向挠度;(2)车体横、竖向加速度均随车速的提高而增大,随载客量的增加而有所降低;(3)轨道梁动力性能良好,在设计车速与载客量条件下,单轨车辆可平稳舒适地通过轨道梁桥;(4)本研究成果可为跨座式单轨交通系统的结构设计与运输管理提供参考。     

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。     

槽形主梁非对称式独塔斜拉桥车桥耦合分析

以某大跨度采用槽形主梁的非对称式独塔斜拉桥为工程背景,建立由斜拉桥和桥上通行列车组成的空间耦合振动分析模型,在建立槽形主梁模型时采用槽形薄壁梁段有限元法。根据势能不变值原理及形成桥梁结构矩阵的"对号入座"法则,导出该车桥系统的空间振动矩阵方程,计算CRH2列车以不同速度通过该桥时的桥梁及车辆振动响应,并对不同车速下桥梁响应的变化规律进行研究。计算结果表明:采用槽形主梁的非对称式独塔斜拉桥具有足够的横、竖向刚度,CRH2列车以不同速度驶过桥梁时,各项振动响应输出值均在限值以内,桥梁整体动力性能良好,列车过桥时的走行性亦能很好地满足。     

车辆参数随机的车桥竖向随机振动分析

车辆参数的随机性对车桥耦合随机振动的影响不可忽略。基于车-桥竖向耦合模型,考虑车辆荷载及一系、二系竖向弹簧刚度与弹簧阻尼的随机性,采用数论选点法对多维随机变量选取离散代表点,并基于正态分布利用Voronoi区域对代表点集进行剖分赋得初始概率;建立概率密度演化随机动力方程,基于MATLAB编制车桥耦合随机振动分析程序;采用newmark-β积分法及带TVD格式的双边差分法计算车桥振动响应均值、标准差及时变概率密度演化分布。结果表明:与随机模拟法相比,概率密度演化法分析车桥随机振动精度更高,计算效率提高1~2个数量级;车辆载重随机荷载是车桥竖向耦合随机响应的主因之一;不可忽略二系竖向弹簧随机刚度及随机阻尼对列车竖向振动的影响;桥梁挠度均值整体随车速先增大后减小,其变异系数受车速的影响。     

某双柱型独塔斜拉桥动力特性分析

利用大型有限元程序ANASYS对中山市板芙二桥主桥(双柱型独塔斜拉桥)建立全桥的整体动力分析模型,针对主梁为开口截面的双索面斜拉桥,采用壳单元模拟主梁,考虑塔柱横梁和辅助墩的影响,分四种工况(实桥模型;实桥上增设塔柱横梁模型;实桥上增设辅助墩模型;实桥上设辅助墩和塔柱横梁)计算了该桥的动力特性,计算结果表明:双柱形桥塔降低了主梁的扭转刚度,尤其是当主梁采用开口截面时,塔柱侧向弯曲振动与主梁的扭转强烈地耦合在一起。     

大跨度多线铁路斜拉桥行车安全性分析

研究目的:列车通过桥梁时,与桥梁的耦合作用会影响桥上列车的行车安全性。大跨度斜拉桥由于自身结构柔度较大,其与列车的耦合作用往往会导致较大的桥梁响应,列车的行驶安全性更加需要予以重视。本文以某大跨度四线铁路斜拉桥为例,采用计算机模拟方法进行车-桥耦合分析,讨论不同列车类型、车速、列车行驶位置及双车交会下的桥梁及列车响应。研究结论:(1)不同速度等级下,桥梁振动响应呈往复变化,当列车施加的激励频率接近桥梁低阶自振频率时,桥梁振动接近峰值;车辆响应随车速增加而增大;(2)车辆类型对桥梁响应影响较大,其中货车C80的各项车辆响应指标更大;(3)车辆运行轨道对桥梁加速度和竖向位移的影响较小,对车辆响应的影响也较小,但对桥梁的横向位移影响较大;(4)双车运行情况下,随着两车入桥差的增加,桥梁的响应有所改善,不同的入桥距离对车辆响应的影响不明显;(5)本研究成果对类似大跨度斜拉桥的设计具有一定的参考价值。     

沪通长江大桥主桥风—车—桥动力响应研究

将轨道不平顺作为系统的内部激励,风载荷作为外部激励,考虑静风力和脉动风力,采用自编程序TYWTB建立车桥耦合系统动力学模型,进行不同风速激励下不同速度列车通过桥梁时的系统动力响应分析,并对车辆的安全性和舒适性进行评价。结果表明:随着风速的增加,车桥系统的动力响应增大,中跨最大垂向动挠度和横向动位移均出现在行车侧上弦;随着车速的增加,车桥系统的动力响应增大,桥上车辆的安全性和舒适性随车速的增加而降低;桥面风速等于或小于25m·s^-1时,160~250km·h^-1车速范围内车辆响应未超限值;当桥面风速达到30m·s^-1时,160~250km·h^-1范围内动车横向加速度均超限,拖车在车速250km·h^-1时轮重减载率超限,行车安全无法保证;由于沪通长江大桥桥梁对车辆受风面的遮挡,平均风速达到25m·s^-1时仍能保证车辆的运行安全和乘坐舒适,满足《铁路技术管理规程》的相关要求;沪通长江大桥铁路桥面采用了钢箱结构,增强了竖向、横向刚度和抗扭刚度,使得桥梁在风场和列车的共同作用下整体性能良好。     

重庆跨座式单轨交通系统动载试验研究

研究目的：对重庆市跨座式单轨交通系统进行动载试验，检验跨座式单轨交通系统的实际动力性能。研究方法：通过对不同车速下重庆市跨座式单轨交通系统动力性能的检测试验，研究跨座式单轨交通PC轨道梁的动力特性及其动力响应，并对单轨车辆乘坐舒适性进行测试与分析。研究结果：PC轨道梁结构实测动力特性与理论计算结果基本相符。研究结论：轨道梁结构具有良好的竖向刚度和结构强度；单轨车辆以不同速度通过桥梁时，试验梁横向基频、横向加速度等横向振动性能与铁路桥梁检定规范要求有一定差异；单轨车辆在桥上运行时对轨道梁结构有一定的冲击作用；参照ISO2631、UIC513和GB5595—85评价标准，对单轨车辆乘坐舒适性采用舒适度和平稳性2个指标进行的测试分析表明，运行车辆具有良好的乘车舒适性。     

悬挂式单轨简支梁风车桥耦合动力分析

研究目的:悬挂式单轨梁梁部活恒载荷比大、宽跨比小,具有结构刚度小、阻尼比小等特点,易发生风致振动,从而影响悬挂式单轨列车乘坐舒适性、结构耐久性及安全性。本文采用ANSYS软件建立桥梁模型,在SIMPACK软件中建立车辆模型,对车辆和桥梁子系统施加静风力和脉动风力,建立风车桥耦合动力系统。以某悬挂式单轨双线7跨30 m简支梁方案为例,进行不同风速激励下双线列车交会的系统动力响应分析。研究结论:(1)采用通用软件可以开展悬挂式空轨风车桥耦合动力分析;(2)气动三分力系数在不同车桥组合下变化明显,横风对双车交会过程中背风侧车辆的风载突变效应强于迎风侧车辆;(3)梁部跨中横向位移在风速15 m/s到25 m/s区间随着风速的增大而增大,平均风对迎风侧轨道梁横向位移的影响比背风侧大;(4)双车交会过程中,迎风侧车辆横向加速度变化不明显,由于背风侧车辆三分力系数的显著变化,横向加速度在交会开始和结束时变化明显,风载突变效应显著;(5)本研究成果可为悬挂式单轨交通系统的结构设计与运输管理提供参考。     

跨座式单轨列车与轨道梁系统的动力响应分析

以重庆市跨座式单轨交通系统牛角沱至李子坝区段的预应力混凝土简支梁为研究对象,将每节车辆简化为6个自由度的动力系统,运用牛顿法建立考虑轮胎侧偏特性的跨座式单轨列车车辆的运动方程;用模态综合法建立轨道梁的运动微分方程;根据车辆和轨道梁的力协调条件,建立车辆与轨道梁动力相互作用的竖向耦合运动控制方程。采用Visual Fortan 6.5编制程序,研究不同车速、不同轨道不平顺条件下轨道梁和车辆的竖向动力响应。结果表明,车速及不同轨道不平顺条件对轨道梁挠度的影响较小,但对加速度影响较大;车体的竖向加速度随车速增大而增加,车速小于40 km.h-1时,不同的轨道不平顺激励对车体竖向加速度的影响较小,而当车速大于40 km.h-1时,则影响较大。     

既有线32 m下承式钢板梁加固方案的车-桥动力仿真分析

为配合沪宁线250 km·h-1提速改造工程,运用车桥耦合振动方法,从车辆和桥梁动力响应角度,对一挠跨比、跨中梁体横向振幅及横向加速度均超过<铁路桥检规>通常值的32 m下承式钢板梁进行加固方案比选.车-桥仿真计算结果表明:加强主梁可以明显提高桥梁的竖向刚度和横向刚度,降低车辆的轮重减载率和车体垂向加速度;增加横向连接系措施可以降低桥梁横向振动加速度;当车速超过220 km·h-1时,可降低车辆的脱轨系数;2种桥梁加固措施几乎不改变车体横向加速度;同时采取加强主梁和增加横向连接系的不同加固方案的效果相差不大.加固后的现场试验表明,该桥的竖向刚度提高明显,比加固前提高约50%,桥梁和车辆的动力响应也均满足相关规定,能够保证提速条件下列车运营的安全性、舒适性和平稳性.     

悬挂式单轨车桥耦合动力分析

为研究悬挂式单轨运营过程中桥梁和车辆的动力响应变化规律,以某悬挂式单轨双线7跨30m简支梁方案为工程背景,运用通用有限元软件ANSYS建立桥梁有限元模型,分析桥梁的动力特性;然后在多体动力学软件SIMPACK中建立车桥耦合动力学模型,研究双线列车以运营速度对开通过桥梁时桥梁和车辆的动力响应,并分析轮胎刚度和列车编组对桥梁和列车动力性能的影响。分析结果表明:双线列车以65km/h的速度对开通过桥梁时,桥梁跨中的整体横向位移响应最大值为19.03mm,表明桥墩横向刚度较小;轮胎刚度对车桥系统的加速度响应有显著影响;3辆车编组过桥时,桥梁的竖向和横向响应值明显比1辆车编组大,因此,在车桥耦合动力仿真分析时,必须考虑列车编组对车桥系统动力响应的影响。     

城市轨道交通桥梁线形变化对列车运行性能的影响

以城市轨道交通高架桥梁为研究对象,基于多体动力学和有限元方法构建车-桥系统联合仿真平台,分析桥梁线形变化对列车运行性能的影响。研究结果表明:桥墩发生沉降后,列车在未沉降区车体竖向加速度和轮重减载率与未发生沉降时相近,列车经过沉降区时车体加速度和轮重减载率均明显增大,且在沉降墩处出现最大值,车体加速度和轮重减载率均随沉降量及车速的增大而增大;主梁发生下挠或上拱变形时,列车的车体加速度和轮重减载率均明显增大,与上拱相比,下挠对列车的动力特性更加不利,车体加速度和轮重减载率均随主梁变形量及车速的增大而增大;城市轨道交通车辆以低于120 km/h速度通过30 m跨高架桥时,桥墩沉降的运营舒适性限值为47 mm,行车安全性限值为63 mm;主梁下挠的运营舒适性限值为19 mm,行车安全性限值为32 mm;主梁上拱的运营舒适性限值为24 mm,行车安全性限值为35 mm。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

悬挂胶轮列车与钢桥的振动试验及仿真研究

为评价悬挂胶轮列车及钢轨道梁桥的结构性能,以开封悬挂式单轨示范线为背景开展现场试验与仿真研究。开发了胶轮列车-钢轨道梁桥耦合振动分析程序,根据现场实测的胶轮车辆的空气弹簧、走行轮刚度和阻尼等力学参数,建立胶轮列车模型。对车桥动力响应的现场试验与动力仿真分析结果进行综合比较,采用相关规范对列车走行性以及轨道梁桥的动力性能进行综合评估。结果表明：车桥动力特性及其振动响应的理论与实测结果基本吻合,车桥耦合分析方法可应用于悬挂式胶轮单轨交通系统振动性能研究;轨道梁竖向挠跨比小于相关规范的限值,竖向刚度设计合理;在列车竖向静活载作用下,相邻两跨轨道梁梁端竖、横向转角之和最大值分别为 4.5‰和 1.5‰;车速 80 km/h 下轨道梁纵、横向应力动力系数最大值分别为 1.17 和 1.14;考虑到悬挂式胶轮列车没有脱轨风险,列车轮重减载率及钢轨道梁桥横向加速度较传统铁路偏大,其相应限值可较现行铁路规范适当放松。     

地铁运行所致隧道上方旅客过夜用房频域振动分析

以某新建机场的旅客过夜用房建筑与地铁隧道合建项目为研究对象,利用车辆-轨道耦合动力学理论和结构动力学理论分别建立列车-轨道耦合动力学模型和隧道-土-建筑物相互作用系统有限元模型,采用两步分析方法预测列车以不同速度通过引起的上盖建筑振动,并根据相关标准评价其是否满足标准要求。主要结论如下:不同车速引起的上盖建筑的分频Z振级随中心频率变化的趋势相似,总体上,50 Hz以下随着频率的增大而增大;50 Hz以上随着频率的增大而减小;车速越高轮轨相互作用和轨道结构的振动越剧烈,所致建筑物振动超标情况也越严重,车速从80 km/h增加到140 km/h时,垂向轮轨力的最大值从120.19 kN增加到152.75 kN,钢轨和浮置板的最大加速度分别从64.02g和2.25g增加到140.49g和4.7g,建筑物最大Z振级从75 dB增加到90 dB。建议进一步采取减振措施来保证地铁列车通过所致振动满足标准要求。