重载铁路桥梁动力响应的随机性分析及最大值估计

为评估现有桥梁通行大轴重列车的可行性,基于某重载铁路桥梁的现场试验数据,对不同轴重列车以不同运行速度通过桥梁时桥梁动力响应的随机性进行分析,并且结合3倍标准差原理进行动力响应最大值估计。结果表明:在60~80km·h~(-1)的速度范围内,列车速度对桥梁的竖向挠度和横向振幅影响不大;随着列车速度的提高,桥梁的竖向振幅缓慢增加,而且桥梁跨中的横、竖向强振频率和振动加速度也呈逐渐增大趋势;随着货车轴重的增加,桥梁的竖向挠度呈近似线性增加趋势,振幅和振动加速度也不断增大;25t轴重运营列车引起的桥梁动力响应的概率密度离散程度较大,而试验列车的离散程度较小;在相同列车速度条件下,跨中的横向响应比竖向响应的随机性大,振幅和振动加速度的随机性相当,竖向挠度的随机性最小;对1座孔跨布置为2-24m的低高度预应力混凝土T型简支梁桥的动力响应最大值估计的结果表明,该桥能够通行75km·h~(-1)速度以下的30t轴重列车。     

30t轴重荷载作用下桥上曲线动力响应影响范围

研究目的:结合我国近年来重载铁路设计情况,针对大轴重条件下桥上曲线设置实际,通过建立钢轨、轨枕、道床及桥梁多层体系有限元模型,理论上探讨800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下线路结构动力性能,分析列车荷载作用下线桥动力响应影响范围问题,以供我国重载铁路线路设计参考。研究结论:(1)800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下桥上曲线线路结构动力性能指标满足规范标准要求,桥梁及线路设计方案合理;(2)重载列车行经桥上曲线地段时,离心力及轴重作用引起的线路结构动力响应影响到列车运行位置相邻桥梁一跨范围(32 m);(3)列车编组大于4节后,编组数增加仅影响线路结构动力响应持续时间,不会对动力响应峰值产生影响;(4)本研究成果对重载铁路桥上曲线设计具有参考意义。     

重载铁路跨度12m钢筋混凝土简支T梁静动力适应性分析与试验研究

我国快速发展的经济对铁路运输能力的要求不断提高,既有铁路重载扩能运输改造进程不断推进,随之提高的列车轴重必然会降低既有铁路桥梁的活载储备量,从而导致T梁的整体刚度和耐久性下降。通过对不同跨径桥梁活载储备量的计算分析,进而选取跨度12 m混凝土T梁作为研究对象进行静力适应性分析,对梁体跨中截面主筋应力、梁体跨中截面上翼缘混凝土压应力及梁体跨中底板裂缝宽度进行检算;并且建立动力有限元模型,分析不同列车荷载作用对跨中横向加速度及横向振幅的影响规律,并与试验实测结果进行对比分析。研究结果表明:在270 k N和300 k N轴重重载列车作用下,梁体受拉钢筋最底部主筋应力均超过容许值;结构动力响应随着车辆轴重增大而增大; 12 m跨低高度简支钢筋混凝土梁横向动力适应性优于普通高度简支梁,两者均满足开行大轴重重载货车要求。     

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。     

铁路重载运输条件下钢筋混凝土涵洞受力特征试验研究

为掌握铁路既有线钢筋混凝土涵洞实际的受力特征,评估其对重载运输的适应性,理论分析涵洞活载储备量以及货车参数、冲击作用、疲劳荷载对涵洞受力的影响;通过某重载线路的大轴重列车试验,测试大轴重试验列车和运营列车通过时钢筋混凝土涵洞的静、动力响应。结果表明:30t轴重货车对涵洞的作用效应超过运营列车;大轴重列车通过时,理论上小跨度涵洞的活载储备量明显不足,但实测状态良好涵洞的受力水平较低,仍具备一定的承载潜力;涵洞跨中挠度、钢筋应变与大轴重货车的轴重、邻轴距直接相关,而与列车运行速度、货车长度关系较小;实测涵顶填土厚度大于1.0m的涵洞仍受到活载的竖向冲击作用,但动力系数并未随着货车轴重的增加而明显增加,且实测列车活载在涵顶填土中的扩散范围大于按现行铁路规范计算的结果。需要对铁路涵洞动力系数、荷载分布等的计算理论开展进一步研究,以使其进一步地完善;在既有线上开行大轴重列车之前,应对涵洞进行综合评估,以确定其合理的改造范围。     

双机重载牵引下既有铁路桥梁竖向动力响应研究

为分析桥上有砟轨道结构在重载列车作用下的竖向动力响应,基于ANSYS建立有砟轨道—桥梁系统动力分析有限元模型,将列车荷载简化为集中力,分析研究中—活载及和谐号双机重载列车移动活载作用下桥梁和轨道结构的竖向位移和加速度动力响应。研究结果表明:轨道和桥梁结构跨中竖向位移和加速度响应在HXD1+HXD3+C80作用下最大,最大值为12.60 mm和3.27 mm/s~2,挠跨比为3.94×10~(-4),均小于规范中40 mm,350 mm/s~2和2.5×10~(-3)的要求;行车速度对轨道桥梁结构竖向位移响应影响很小,竖向加速度随着行车速度的增大而增大;增大桥梁刚度可以降低轨道桥梁结构系统的竖向位移和加速度响应,提高行车稳定性和乘客的舒适度;对既有铁路有砟轨道桥梁,应限定行车速度,采取相应的加固措施提高刚度以保证车—轨—桥系统的安全。     

反向曲线铁路桥梁车桥耦合动力分析研究

研究目的:铁路桥梁设在反向曲线上时,相关规范要求需进行充分论证。本文以某车站扩能改造工程中由于受到地形条件限制而设计的反向曲线铁路桥梁为例,采用MSC.PATRAN和ADAMS/RAIL分析软件,分别建立完整的桥梁和列车三维空间模型,分析CRH1动车组在不同车速条件下通过该桥的车桥耦合振动情况。研究结论:(1)通过对桥梁各跨的纵、横向位移,加速度以及脱轨系数、轮重减载率、车体加速度、Sperling舒适性指标等动力性指标计算结果的分析可以得到:CRH1动车组以70~90 km/h速度通过该反向曲线铁路桥梁时,车辆的脱轨系数和轮重减载率随着车辆的行驶速度增加而增加,桥梁各跨的竖向和横向振动位移较小,桥梁竖向和横向振动加速度小于规范规定的限值;(2)该桥梁具有较大的纵、横向刚度,满足列车运行的安全性及舒适性要求;(3)由于受到地形条件限制而设计的反向曲线桥梁方案是可行的;(4)本研究成果能够为位于反向曲线的铁路桥梁车桥耦合振动研究提供参考。     

提速状态下预应力混凝土简支梁受迫振动试验研究

通过对不同车速、不同编组情况下塑黄铁路小唐河大桥预应力混凝土简支梁桥动力性能的检测试验,研究列车提速条件下桥梁的动力特性及其动力响应。研究结果表明:列车以70和75 km.h-1速度运行时,其横向强振频率与桥梁横向自振特性相近,发生共振现象,PCT梁抑振措施应以提高梁体横向刚度为主;车速超过60 km.h-1时,PCT梁最大横向振幅均超过安全限值;PCT梁的横、竖向振动加速度值都不大,均在《铁路桥梁检定规范》规定的限值以内;PCT梁的跨中横向振动频率明显偏低,只有参考值的40%~50%;跨中竖向自振频率较大,竖向挠跨比小于《铁路桥梁检定规范》中的跨中竖向挠跨比通常值,说明梁体具有足够的竖向刚度。车辆编组方式对PCT梁的横向振幅影响较大,C64编组方式时梁体横向振幅最大,C64K编组方式时梁体横向振幅较小。     

高速列车作用下新型路涵过渡段动力特性研究

针对某一典型高速铁路路涵过渡段进行室内试验及数值模拟,建立车辆-轨道-过渡段动力大耦合模型,提出了新型过渡段的组成以及变态浆液、改良级配碎石的关键配比参数。结果表明:随着深度的增加路基动应力、加速度逐渐减小,并呈现指数分布;随着深度的增加,竖向位移变化曲线较为平缓;随着列车运行速度的增加,路基应力、位移、加速度总体上逐渐增大,存在速度150,350 km/h~2个临界速度,说明列车运行速度与过渡段的动力响应并非呈正比例关系;随着列车轴重的增加路基加速度、动应力变化不大,竖向位移变化较为明显,位移随列车轴重的增大而增大,这说明重载铁路对过渡段的要求很高。     

30t轴重重载货车作用下常用跨度预应力混凝土简支梁动力响应的试验分析

对朔黄铁路线上7座常用跨度预应力混凝土简支梁桥,在30 t轴重重载货车作用下梁体的动力响应进行了实测,取得了大量数据。通过分析得到以下结论:实测梁体动力响应均在通常值范围内,满足安全限值要求;实测梁体挠度、应变与大轴重列车加载效应直接相关,实测值与轴重等级呈线性增长趋势,而梁体竖、横向振幅及加速度与列车轴重关系不明显;实测结果验证部分和理论分析成果为大轴重重载技术研究提供了数据支持,试验数据的处理方法可为类似试验提供参考。     

2万t重载列车制动与起动条件下轮轨动力特性试验研究

为探明长编组、大轴重运输条件下车辆和轨道的动力相互作用问题,基于现场试验方法,研究了2万t重载列车制动与起动条件下的轮轨动力特性,初步掌握了大轴重重载列车制动与起动条件下轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度的响应特征和变化规律,揭示了重载列车制动与起动状态对轮轨性能影响的差异。研究结果表明:列车制动对轮轨垂向力和轨道结构振动加速度的影响较大,其影响随制动时间的增加而逐渐减小;列车起动过程中轮轨垂向力和轨道结构振动加速度随起动时间的增加而增大;列车制动和起动对轮轨横向力及轨道结构位移的影响不大;由于列车制动加速度大于起动加速度,列车制动时的轮轨作用力、轨道结构位移和振动加速度均比起动时要大。     

简支铁路桥梁加固前后共振响应分析

研究目的:由于加固前后铁路简支桥梁自振频率发生变化,车桥系统发生共振时对应的列车速度发生改变,因此需要分析加固前后桥梁的共振响应是否满足要求。本文介绍车桥系统发生共振的原理,研究影响车桥系统共振响应的因素,采用ANSYS软件和多体动力学软件UM(Universal Mechanism)分析加固前后桥梁仿真模型的车桥耦合动力性能。研究结论:(1)对于小跨径直线桥梁,加固前后桥梁发生共振时对应的列车速度发生明显改变;(2)通过桥梁加固,其发生竖向共振时列车速度已经超出高速列车的速度范围;(3)列车第二共振速度时桥梁的竖向振幅和加速度远小于列车处于第一共振速度时,故可以不考虑;(4)对桥梁进行加固,能够明显减小共振时桥梁竖向及横向的跨中振幅和跨中加速度;(5)本研究成果可为简支铁路桥梁的共振控制提供借鉴。     

重载铁路水冲受损桥墩适应性分析及加固控制技术

以受洪水冲刷的一座重载铁路浅基桥墩为对象，基于现场试验、数值模拟、在线监测等方法，研究大轴重运输条件下冲刷程度、荷载类型等因素对水冲受损桥墩刚度、稳定性和动力响应的影响。基于安全运营需求，提出一种实时监测+定期监测的加固施工安全监控方法，并开展实际工程应用研究。结果表明：冲刷引起墩台基础土体流失和约束降低，导致桥墩刚度减小、稳定性下降和振动加剧；随着冲刷深度增加，桥墩与主梁振动响应逐渐增大，桥墩自振频率逐渐降低；大轴重列车作用下，随着列车速度和轴重增加，桥梁振动响应逐渐增加，桥梁振动响应与列车速度、轴重均成线性关系。对结构振动响应和墩台变位进行加固施工安全监控，发现加固过程中基础开挖和冲击钻孔是关键施工控制环节，且导致了桥梁横向振动显著增加，而基础加固施工对桥墩结构横向振动影响较小，且各项施工内容对结构沉降、水平位移和纵向振动的影响相对较小。     

大轴重运输条件下小跨度板梁静动力适应性研究

大轴重运输条件下,重载铁路小跨度梁病害损伤频繁出现,致使其承载能力和使用性能逐渐降低,安全与稳定问题日益凸显。为研究常见类型小跨度板梁在大轴重运输条件下的静动力特性,以某重载铁路12.0 m跨度低高度整体式预应力板梁(简称整体梁)和并置式普通钢筋混凝土板梁(简称并置梁)为对象,基于现场试验和数值模拟方法,开展静力性能试验、动力性能试验、承载能力分析和提速、提轴条件下动力适应性分析,探索小跨度低高度板梁在大轴重运输条件下的差异性和适用性。研究结果表明：设计静活载作用下,小跨度并置梁和整体梁均处于弹性工作状态,2种类型板梁荷载-挠度、荷载-应变等关系曲线均呈线性变化,且应变和挠度实测数据均小于理论计算值;相同静力荷载作用下,实测整体梁跨中挠度、应变等关键参数均小于并置梁,整体梁具有更大的刚度和承载能力。正常运营列车和提速、提高轴重列车作用下,整体梁横向和竖向频率分别为27.26 Hz和11.21 Hz,其自振频率较并置梁有大幅提高;同时,相同动力荷载作用下,整体梁跨中横向振幅、横向加速度、竖向振幅、竖向加速度和动力系数较并置梁均有明显降低,整体梁具有更大的横向刚度和整体稳定性,满足35.0...     

重载车桥耦合作用下48 m钢桁梁桥动力性能

研究目的:随着社会经济发展和人们需求的提高,铁路货运能力亟待进一步提高,在既有铁路网基础上加大铁路列车轴重是有效提高铁路运能的主要途径之一。列车轴重增大后车桥振动效应将增加,既有铁路网中的钢桥能否适应铁路轴重的提高成为列车轴重能否增加的关键问题。本文为分析重载列车作用下钢桥动力性能,选取既有线中常用跨度48 m钢桁梁桥为研究对象,通过轮对与轨道接触处的力与位移相互关系建立空间重载铁路车-桥系统耦合振动分析模型,在与实测结果对比基础上,对影响重载铁路钢桁梁桥动力性能的轨道不平顺、列车轴重和列车速度等因素进行系统分析。研究结论:(1)轨道不平顺功率谱、列车轴重和列车速度均对重载列车作用下的钢桁梁桥的动力性能有着重要影响;(2)美国六级轨道不平顺与桥上实际线路不平顺更加接近;(3)重载铁路运输中27 t轴重列车通过48 m钢桁梁桥时建议对列车运行速度进行限制。     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

应用阻尼器抑制铁路桥梁横向振动的研究

研究目的:针对既有铁路混凝土简支双T桥梁在列车提速以及货车轴重增加导致桥梁横向振幅过大的问题,本文提出通过应用黏滞阻尼器来抑制桥梁的横向振动。该加固方法施工简单,工期短,不中断列车的正常运行,且对桥梁的刚度没有影响,所以不会带来结构周期的改变。通过有限元分析软件ANSYS对桥梁加阻尼器前后的动力性能进行分析,以验证所加阻尼器对减小桥梁横向振幅的效果。研究结论:(1)黏滞阻尼器的两端宜设置在桥梁位移差较大处,若其两端位移相差较小,阻尼器抑制桥梁横向振幅效果不明显;但若阻尼器的两端距离过大,阻尼器的安装成本将会提高;对于预应力混凝土梁,阻尼器宜安装在平行于桥梁横截面的平面内;(2)阻尼器参数对抑制桥梁横向振幅及跨中横向加速度的影响较大,阻尼器非线性越强,对横向振幅抑制效果越明显;考虑到经济合理性,阻尼器的速度指数可取0.3左右;(3)本文通过多体动力学软件UM提取到了货车的轮轨力时程,并结合ANSYS分析得到了桥梁的动力响应,可以较好地反映阻尼器应用前后桥梁的动力特性;(4)阻尼器的加固效果与桥梁自身横向振幅有关,一般情况下,桥梁横向振幅越大,阻尼器的加固效果越好;(5)本研究结论可用于中小跨度混凝土铁路桥梁横向位移的控制。     

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.     

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。     

钢管混凝土劲性骨架提篮拱桥动力试验及车桥耦合振动分析

对跨径140 m的铁路钢管混凝土劲性骨架提篮拱桥进行全桥动力试验。采用脉动法测试其自振特性;动载试验中试验列车分别以不同速度匀速通过桥面及以一定速度在指定位置处制动,测试各工况下桥跨结构的应变、位移、加速度的时程响应,并将实桥测试结果与该桥的车桥耦合振动计算结果作比较分析。结果表明:该桥具有良好的竖向和横向刚度及结构强度,整体动力性能良好,而通过列车对桥跨结构有一定的冲击作用;实测动力响应及其动力系数结果与理论计算结果相符较好,两者随着列车运行速度的增大而呈现相同的规律性;列车运行具有较好的安全性与舒适度;该类型桥梁适用于大跨度铁路桥梁。