大跨度铁路桥梁车桥动力响应理论分析及试验研究

本文系统地研究了铁路桥梁车桥空间耦合动力响应问题，提出了切合实际的桥梁、机车车辆振动及其相互作用的计算机模型，针对桥上轨道变形提出了考虑轨道变形的轮轨关系，采用轨道不平顺的数值模拟波作为车桥系统的激励源，并在此基础上建立了车桥动力方程组迭代求解法。     

基于轮轨线性相互作用假定的车桥相互作用理论及应用

研究车桥耦合系统中轮轨相互作用关系问题。以刚体动力学方法建立车辆子系统模型,有限元法建立桥梁子系统模型;假定车辆轮对与钢轨之间在竖向上服从轮轨密贴假定,在横向上服从Kalker蠕滑理论;并在计算横向蠕滑力时考虑轮对锥形踏面和恒定法向力;以轨道不平顺为系统激励;建立车辆-桥梁统一的线性动力平衡方程组。利用上述轮轨线性相互作用假定,以SS8单节机车通过单跨32m简支梁为例,计算各轮对横向运动的时域及频域响应;讨论轮对蛇形运动波长、波幅的影响因素;分析桥梁横向振动、横向轨道不平顺以及车辆系统横向振动三者的关系;并验证轮对蛇行波假定的正确性。     

新型二维轮轨耦合单元及OpenSees实现

基于轮轨竖向非线性接触关系,提出一种新型通用二维轮轨耦合单元模型,并在有限元OpenSees软件平台上实现。所提单元由轮节点和所有可能与之接触的梁单元节点组成,通过建立和求解关于轮轨作用力的一元三次方程,得到轮轨之间的接触力,计算由轮轨相互作用产生的耦合单元各节点力,定义为单元内力。通过与文献中计算结果对比,验证了该单元模型的准确性和可靠性,基于此模型分析高速列车通过桥梁时在轨道不平顺激励和地震作用下的动力响应。此耦合单元模型易于集成到有限元计算平台中,能与已有的列车模型、轨道和桥梁等模型联合使用,能够考虑轨道不平顺和轮轨脱离等情况,可用来分析复杂竖向车桥耦合系统的动力问题。     

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。     

车桥系统空间非平稳随机分析

采用虚拟激励法将轨道高低、方向和左右轨高差不平顺转化为一系列简谐荷载,将非平稳振动分析转化为确定性的时间历程分析,进行三维车桥系统空间非平稳随机分析。采用分离迭代法求解车桥系统运动方程,运用三倍差原理确定系统响应的最大和最小值,讨论系统响应的功率谱密度。研究表明:车体振动、桥梁跨中横向响应和轮对受到的横向轮轨力的随机性较大,轨道不平顺是其主要影响因素,桥梁跨中垂向响应及轮对受到的垂向轮轨力主要由确定性荷载引起。     

基于分离迭代和耦合时变的列车—轨道—桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车—轨道—桥梁耦合系统动力分析的计算效率,基于耦合时变法及分离迭代法,提出了1种混合算法。该算法将列车—轨道—桥梁耦合系统分解为车辆—轨道子系统和桥梁子系统。其中,车辆—轨道子系统在每一时间步需根据车辆位置对系统刚度系数矩阵进行更新,具有时变的特性;桥梁子系统的系统动力系数矩阵在整个动力分析过程中保持不变;车辆—轨道子系统与桥梁子系统通过钢轨与桥梁间作用力的平衡迭代实现耦合。利用朔黄重载铁路32m简支梁桥现场试验数据与由混合算法计算得到的分析结果进行对比,验证了混合算法的可行性。采用耦合时变法和混合算法分别计算列车通过蒙华重载铁路黄河龙门大桥的动力响应,结果表明:采用相同的时间积分步长时,2种方法拥有相同的计算精度,但混合算法比耦合时变法具有更高的计算效率,求解耗时降低了75%。     

车辆-轨道系统时-空随机分析模型

车辆-轨道耦合系统具有时-空域的随机特征。为了更好地研究车辆-轨道系统的时-空随机演化过程,提出车辆-轨道系统时-空随机分析模型。该模型将车辆-轨道耦合系统分为车辆子系统、轨道子系统及轮轨界面系统,可考虑车辆系统、线路系统参数的随机性及轨道随机不平顺的时变性,同时采用数论法实现不同动力参数的组合,用概率密度演化方程解决系统激励输入与响应输出的概率密度传递问题。最后,采用该模型分析了不同变异系数下的车辆-轨道系统时-空随机振动,分析中假定系统动力参数服从正态分布,并基于实测数据进行轨道不平顺的时-空随机模拟。结果表明:依据本文模型得到的计算结果符合物理概念;由于动力参数的随机变异性直接与时间相关,使得利用此随机分析模型,探讨系统动力响应的随机演化机制、制定考虑长时效的系统动力指标限值及养修计划成为可能。建议完善车线系统参数的基础检测资料。     

车桥耦合振动中2种轮轨接触模型的比较分析

将车桥耦合系统分为车辆和桥梁2个系统并分别给出二者的振动方程,采用迭代解法对方程进行求解,分析轮轨之间弹性接触和密贴接触对车桥系统动力分析结果的影响。结果表明:密贴接触模型取的时间步长比弹性接触模型取的时间步长大,密贴接触模型迭代时间步长为0.001 s时收敛,而弹性接触模型迭代时间步长要0.000 1 s才收敛。在同样时间步长0.000 1 s条件下,弹性接触模型的收敛迭代次数为9次,而密贴接触模型的收敛迭代次数为4次;在计算桥梁的动力响应时,弹性接触模型和密贴接触模型的计算结果比较接近,也和实测值接近,但密贴接触的计算工作量较小,收敛快;而在计算列车的竖向加速度、轮重减载率和脱轨系数时,弹性接触模型的计算结果比密贴接触模型的计算结果大。分析认为用弹性接触模型比较符合实际。     

轨道动力学层状梁模型与算法中的几个问题

研究目的:轨道结构层状梁模型由于模型简单,被广泛应用于轨道动力学及车辆-轨道耦合系统动力学分析中。简化的轨道结构层状梁模型能否反映半无限空间上实际轨道结构的变形规律和动态特性,运用轨道结构层状梁模型得到的车辆和轨道结构动力响应精度如何,这些问题还未见系统研究。本文通过建立车辆-轨道结构层状梁非线性耦合系统动力学模型,构建运用交叉迭代法分别独立求解车辆和轨道结构动力学方程的显示算法,对比分析轨道结构层状梁模型与轨道结构三维块体单元模型的计算结果,以及轨道结构层状梁模型与轨道结构半无限空间模型计算结果的差异,分析轨道结构层状梁模型在车辆-轨道耦合系统动力学分析中的适应性。同时,还对比分析交叉迭代法与传统的耦合方程算法在求解车辆-轨道耦合系统动力响应时的计算效率、计算精度和算法特点。研究结论:(1)采用层状梁轨道模型模拟轨道结构是可行的,计算结果具有良好的精度,能够满足工程问题的分析要求;(2)交叉迭代法相对于传统的耦合方程算法计算效率更高,精度更好,用时更省,程序设计更容易,不仅适用轮轨线性接触分析,而且适用轮轨非线性接触分析;(3)通过引入松弛因子对轮轨接触力进行修正,可加快交叉迭代算法...     

武广客运专线瓦屋特大桥减振型无砟轨道设计与研究

武广客运专线瓦屋特大桥设计采用了减振型单元板式无砟轨道结构。为分析其减振工作性能,本文采用车线桥耦合振动理论,分别建立了车辆、减振型板式无砟轨道和桥梁动力学模型及其运动方程,将车辆、轨道和桥梁分为2个由非线性轮轨接触力联系的振动子系统,采用迭代法求解这2个子系统,用自编的车线桥耦合振动程序对减振型无砟轨道的车线桥耦合振动进行了分析,并与减振前计算结果进行了对比。     

铁路移动数据系统的设计与实现

现有铁路信息系统难以满足日益增长的IP移动数据服务需求，全国下一代网络CNGI的建设也使铁路信息系统面临着网络过渡问题。为此，提出面向下一代互联网络的铁路移动数据系统解决方案，重点解决IP地址和域名管理、移动性接入与通信等技术难点，确保铁路信息系统与下一代互联网互联互通。     

既有线提速路基动力响应特性研究

通过沪宁线提速路基的现场动态试验,在实测轨道不平顺、车速为120~200 km.h-1情况下,采用动力有限元方法计算铁路路基的动力响应。分析路基动应力的分布形式、路基动应力随列车速度的变化规律、路基动应力随深度的衰减规律,以及道床厚度、路堤高度对路基动应力影响规律。研究表明:路基动应力随列车速度的提高而呈线性增加;路基动应力总体上呈双峰的马鞍型分布,且随着路基深度增加,双峰的幅度减小,直至双峰消失,变为路基中心动应力最大的单峰型;随道床厚度的增加,路基竖向动应力显著减小;路堤高度的增加对路基动应力的影响不大,但可有效减小地基表面的动应力。     

客票作废监控软件的设计与实现

阐述了基于Smart3.0客票系统的客票作废监控软件的设计思想和实现方法.该软件具有实用强,执行效率高等特点.它为地区中心和车站掌握客票作废情况提供了一个理想的监控手段.     

信号动态检测系统的应用

信号动态检测系统为信号设备动态检查,信号设备运用质量分析,指导现场维修带来了便利,同时提高了劳动生产效率,减轻了现场劳动强度,保障了运输安全。     

浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律

以包神铁路某病害段土体为研究对象,制备不同压实系数、不同含水率的试样,利用GDS动三轴系统进行模拟浸水状态下的动力特性试验;使用自行研制的常水头马氏瓶模拟雨水自然浸入基床,构建动力湿化环境,研究浸水作用下重载铁路基床动回弹模量衰减规律及敏感影响因素。结果表明:浸水过程会打破土体的动力稳定状态,引发塑性应变的持续累积以及动回弹模量的持续衰减,累积程度和衰减规律受到压实系数的显著影响;压实系数为0.96的土体在浸水作用下循环加载至50000次时其累积塑性应变小于3%,而压实系数分别为0.9和0.93土体的累积塑性应变皆大于10%;压实系数越大的土体在浸水作用下动回弹模量衰减程度越大,压实系数分别为0.9,0.93和0.96的土体在浸水作用下其动回弹模量分别衰减22%,32%和42%;不同初始含水率土体的累积塑性应变和动回弹模量衰减规律相近。在试验数据基础上,提出了用动回弹模量构建的动力湿化作用下的土体软化模型,该模型体现了土体刚度受压实系数显著影响的特性,且具有较好的适用性。     

便携式JARC-1000型或门动态继电器检测仪

以单片机为主体研究开发了便携式JARC—1000型或门动态继电器测试仪，可自动完成继电器的机械特性、电气特性、动态特性测试，精度高，效果好。     

温度变化条件下路基盐渍土动应力-动应变响应规律研究

以青海西部某地区的路基盐渍土为研究对象,基于英国GDS动三轴试验系统,进行室内温度变化状态下的动三轴试验,研究其在不同温度、频率、围压下的动应力-动应变、动剪切模量等的变化规律。试验结果表明:在循环动荷载作用下,温度改变对试样的动应力-动应变关系影响显著,频率和围压次之;同一动应变幅值下,温度越低,动剪切模量(G_d)越大;频率和围压增加时,G_d同样增大,但围压对G_d的影响更为明显,其曲线发展趋势更为陡峭;最大动剪切模量(G_(dmax))和最终剪应力幅值(τ_(dult))在温度、围压不变,频率增大时,两者也都增大,G_(dmax)曲线为上凸形,τ_(dult)曲线在正温状态下为上凸形,在负温状态下为下凹形;频率、围压不变时,G_(dmax)和τ_(dult)随温度降低而增大,且0℃以上变化趋势较缓,0℃以下变化趋势较陡。使用一个温度修正系数对不同温度下的G_(dmax)进行修正,并得到修正系数的拟合函数,其在负温下的拐点在-4℃左右。     

北京地下直径线橡胶浮置板道床动力仿真计算及适应性分析

针对北京地下直径线两处小半径大坡道地段环境振动敏感点,进行铺设橡胶浮置板道床的适应性分析,为国内干线铁路环境敏感点减振轨道选型及振动控制提供理论基础。利用有限元软件,建立列车-橡胶浮置板轨道-隧道基础三维动力分析模型,对其传递特性进行分析,对最不利工况进行动力计算及适应性分析。研究结论:(1)得出橡胶浮置板道床固有频率为16.75 Hz,并在27.3 Hz之后能明显起到隔振作用;(2)通过对动车组和SS9型机车通过直线段和曲线段的全过程进行动力仿真计算,橡胶浮置板道床的行车舒适性、安全性都满足规范要求。     

WJ-8型小阻力扣件轨下橡胶垫板滑出动力学研究

基于轨下胶垫滑出后扣件支撑刚度减小和轮轨系统动力学基本原理,建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,计算分析轨下胶垫滑出对车辆与轨道结构的动力学性能的影响,得出以下结论:(1)随着轨下胶垫滑出量的增加,车辆与轨道结构的振动加速度、钢轨与道床板的垂向位移、最大轮轨力、减载率均有增大趋势;最小轮轨力有减小趋势;且随着轨下胶垫滑出量的增加,车辆以及轨道结构的动力学指标的变化趋势逐渐增大。(2)基于车辆以及轨道结构的动力学指标,轨下胶垫滑出量不宜大于120 mm。     

中低速磁浮轨排结构动力性能试验研究

测试了中低速磁浮轨排系统在列车通过时的动力响应,获得了轨排结构在动力荷载作用下的自振频率、动应力、位移动力系数以及螺栓力。结果表明：轨排结构的竖向振动一阶频率和二阶频率分别为9.088 Hz和17.614 Hz,横向振动的一阶频率和二阶频率分别为6.426 Hz和17.614 Hz;轨排结构的横向振动与竖向振动相耦联,但并非是扭转振动所致;导轨和轨枕的应力变化与车速关系不明显;在所测车速范围内,位移动力系数随着车速的增加呈增大趋势。