桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。     

桥头引线与轨道刚度

随着时间的推移,桥梁两端外的轨道(桥头引线)常常发生下陷(如图1所示)。桥梁两端外轨道下陷,亦称冲击,是经常造成列车走行不平稳的地方,与其他位置的轨道相比,更需要经常进行轨道找平作业。人们普遍认为,轨道下陷是由于车轮通过桥梁上轨道与桥梁两端外轨道之间刚度急剧变化处所产生的动态车轮作用力所致。图2显示的是铺碴桥面桥梁上的轨道与该桥梁两端外轨道间轨道刚度(或称轨道模量)差。通过减少轨道刚度差,或使刚度过渡更为渐进,以此来消除桥头引线轨道下陷,为此虽然经过了多次尝试,但都收效甚微。由此引发了对轨道刚度差理论的研究,以期发现以往努力未成功的原因。为评估轨道刚度差造成桥头引线下沉,及其影响列车走行质量的程度,采用五种了不同的方法。其中包括技术上最复杂的方法和最基本的方法。五种方法的结果得到的结论相同:桥梁端头轨道刚度的变化对桥梁引线处的轨道下沉或列车走行质量未造成实质上的影响。     

桥头引线与轨道刚度——美国联邦铁路局研究结果RR07-12

随着时间的推移，桥梁两端外的轨道（桥头引线）常常发生下陷（如图1所示）。桥梁两端外轨道下陷，亦称冲击，是经常造成列车走行不平稳的地方，与其他位置的轨道相比，更需要经常进行轨道找平作业。人们普遍认为，轨道下陷是由于车轮通过桥梁上轨道与桥梁两端外轨道之间刚度急剧变化处所产生的动态车轮作用力所致。图2显示的是铺碴桥面桥梁上的轨道与该桥梁两端外轨道间轨道刚度（或称轨道模量）差。 通过减少轨道刚度差，或使刚度过渡更为渐进，以此来消除桥头引线轨道下陷，为此虽然经过了多次尝试，但都收效甚微。由此引发了对轨道刚度差理论的研究，以期发现以往努力未成功的原因。 为评估轨道刚度差造成桥头引线下沉，及其影响列车走行质量的程度，采用五种了不同的方法。其中包括技术上最复杂的方法和最基本的方法。五种方法的结果得到的结论相同：桥梁端头轨道刚度的变化对桥梁引线处的轨道下沉或列车走行质量未造成实质上的影响。     

高架轨道-桥梁耦合系统振动特性分析

分别建立了钢弹簧浮置板轨道-桥梁耦合系统、弹性扣件轨道-桥梁耦合系统的有限元模型,分析比较了该2种轨道-桥梁耦合系统在不同桥梁支座下的振动特性。结果表明,桥梁弹性支座降低了系统的刚度,从而使系统的固有频率低于刚性支座下的固有频率;钢弹簧浮置板轨道-桥梁耦合系统的固有频率随着轨道板下弹簧刚度的增大而增大;扣件刚度的改变对于弹性扣件轨道-桥梁耦合系统的振动特性几乎没有影响;钢弹簧浮置板轨道-桥梁耦合系统以及弹性扣件轨道-桥梁耦合系统的固有频率均低于桥梁自身的固有频率。     

轨道梁参数对磁浮车-高架桥垂向耦合动力响应的影响研究

建立磁浮车—高架桥垂向耦合模型,运用车—桥垂向耦合程序,分别探讨桥梁刚度和高架桥线路的不平顺对磁浮车—高架桥垂向动力响应的影响,分析结果表明:在相同的轨道梁抗弯刚度下,随着磁浮列车运行速度的增加,桥梁的振动响应增大,但轨道梁刚度大的桥梁振动响应比刚度小的桥梁振动响应增加幅度小一些;在相同车速下,随着轨道梁抗弯刚度的降低,桥梁振动响应增大;车辆重向振动响应在轨道抗弯刚度达3 8612×1010N·m2之前,随轨道梁抗弯刚度的增大而减小,在轨道梁抗弯刚度达3 8612×1010N·m2之后,无明显影响;线路状态对车辆的动力响应有明显影响,较差的线路状态将使高架桥挠度增大,使车体垂向振动加速度明显增大。     

移动列车荷载下桥上有砟轨道偏心研究

为研究列车作用下有砟轨道中线与桥梁中线偏心发展机理,以石太线上行多跨连续钢筋混凝土上承式拱桥为例,建立考虑轨道结构层间相互作用及轨道与桥梁弹性耦合效应的轨道-桥梁模型,研究桥上有砟轨道结构参数对有砟轨道-桥梁偏心影响规律.研究结果表明:增加轨下扣件横向刚度能显著减小线梁偏心,轨枕-道床横向支撑刚度对偏心影响较小,而散体道床横向剪切刚度及梁轨界面横向刚度的影响可以忽略;随着道床厚度的减小,线梁偏心减小;外轨超高对偏心有一定影响;随着有砟轨道中心与桥梁中心初始均匀偏心增加,线梁偏心呈较快发展趋势.     

高架轨道轮轨噪声预测分析

随着我国城市轨道交通的快速发展,高架轨道作为一种经济、实用、安全、快速的交通模式,在城市轨道交通建设中得到越来越广泛的运用,但由此带来的振动噪声对周围环境的影响也变得十分突出。通过建立轮轨噪声预测模型,运用有限元法分析箱型梁、U型梁阻抗,对高架轨道轮轨噪声进行预测分析。讨论了桥梁截面型式、行车速度、轨道扣件刚度、桥梁结构阻尼、桥梁支座刚度对高架轨道轮轨噪声的影响。分析结果表明,行车速度和扣件刚度对轮轨噪声有较大影响,在200 Hz以下,轮轨噪声总体上随着扣件刚度的增大而增大;在200~800 Hz范围内,轮轨噪声随着扣件刚度的增大反而减小;在800 Hz以上,扣件刚度对轮轨噪声无明显影响。桥梁截面型式仅在低频部分对轮轨噪声有较大影响,而桥梁结构阻尼、桥梁支座刚度则对高架轨道轮轨噪声影响甚微。     

轨道约束对铁路桥梁纵向地震反应特性的影响

采用非线性弹簧单元模拟道床的纵向位移阻力关系，建立了地震作用下桥梁与轨道共同作用的线桥一体化模型，分析轨道约束对铁路桥梁纵向抗震性能的影响，研究表明，在地震中当桥墩刚度相近时，轨道约束对桥墩是有利的，当桥墩刚度相差较大时，轨道约束对刚度较大桥墩有时是不利的，文章还分析了道床阻力，桥梁跨数等因素对桥梁抗震的影响。     

客运专线铁路简支梁桥墩台纵向线刚度分析研究

从梁轨共同作用机理出发,建立了客运专线简支梁桥梁轨共同作用计算模型,针对有砟轨道与无砟轨道各自的特点,通过无缝线路桥梁纵向力分析计算,系统研究了桥梁墩台纵向线刚度对桥梁和轨道结构的影响,提出了不设置钢轨伸缩调节器的常用跨度简支梁桥墩台纵向线刚度合理取值,并对其适用性进行了探讨。     

移动式线路动态加载车轨道刚度检测系统研究

轨道刚度直接反映了轨道的承载能力,通过轨道刚度检测可以了解轨道状态,识别不良区段,对于线路工程质量检测具有重要意义。本文介绍了移动式线路动态加载试验车上(TLV)轨道刚度系统的检测原理、系统构成、数据接口、实现流程,以及在既有线上路基、桥梁和隧道地段的应用。     

城市铁路桥梁墩台线刚度限值的研究

根据桥梁与轨道相互作用关系，分析计算了城市铁路桥梁在不同桥墩刚度条件下的铡轨附加制动力和桥墩制动力，并提出在不同桥梁跨度的情况下桥墩线刚度的限值。     

考虑轨道系统的高速铁路连续梁桥结构系统参数对纵向地震响应的影响

为研究无砟轨道系统约束作用下的高铁连续梁桥纵向地震响应,以某组合桥跨布置高铁桥梁结构(2×32m简支梁+(48+80+48) m连续梁+2×32 m简支梁)为例,针对CRTSⅡ型纵连板式无砟轨道系统的结构特点,建立考虑轨道系统结构层间相互作用的叠合梁模型,研究轨道系统约束作用、地震波激励、滑动层摩擦因数、底座板刚度和制动墩抗推刚度对桥梁结构纵向地震响应的影响。分析结果表明:轨道系统对桥梁结构的约束作用可减弱结构纵向地震响应;在不同频谱特性的地震波激励下,桥梁结构地震响应明显不同,当地震波卓越频率与结构自振频率接近时,将放大结构地震响应;随着轨道系统滑动层摩擦因数增加,连续梁桥纵向地震响应减小,简支梁桥纵向地震响应增强;底座板刚度变化对桥梁纵向地震响应影响较小;增加连续梁桥制动墩抗推刚度,将增强制动墩地震内力响应,需要根据不同抗震需求合理设计桥墩抗推刚度。     

城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

桥上纵连板式无砟轨道无缝线路力学性能分析

基于有限元法,考虑钢轨、无砟道床、滑动层、桥梁等结构的相互作用关系,建立桥上纵连板式无砟轨道无缝线路纵-横-垂向空间耦合模型,进行滑动层摩擦系数、扣件纵向阻力、无砟道床伸缩刚度等对桥上纵连板式无砟轨道无缝线路的受力和变形影响规律的研究.结果表明:滑动层减弱了桥梁、轨道间的相互作用,当滑动层摩擦系数为0.1～0.5时,无缝线路伸缩力仅为22.821～55.361 kN,远小于一般桥上无缝线路结构;滑动层摩擦系数越小越有利于轨道和桥梁结构的安全使用;底座板/轨道板的伸缩刚度减小会明显增大部分轨道和桥梁的受力,伸缩刚度折减至10％时,伸缩力会增大近6倍,因此应该注意控制底座板和轨道板的开裂现象;扣件的纵向阻力变化对轨道和桥梁结构的受力和变形几乎没有影响,但为了防止钢轨爬行或断缝值超限,扣件阻力不宜太小.     

减振垫刚度变化对U型梁桥系统振动及结构噪声的影响研究

为了研究隔离式减振垫垂向刚度对U型梁桥结构振动及噪声的影响,采用多体动力学和有限元联合仿真的方法建立基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道-桥梁刚柔耦合动力学模型,并将理论计算结果与以往文献对比,验证了模型的有效性。基于该模型计算了减振垫垂向刚度不同情况下的桥梁系统振动及噪声响应。结果表明:随着隔离式减振垫垂向刚度的增大,钢轨和轨道板的振动响应都有不同程度的减小,但桥梁结构的振动响应被放大,轨道结构和U型桥梁的振动幅值先是产生明显变化,随后逐渐趋于平缓;隔离式减振垫垂向刚度增加会增大桥梁结构二次噪声,所以应该选取较小的隔振垫刚度以达到抑制U型梁桥结构二次噪声的目的,但过小的垂向刚度可能会放大40 Hz以内低频区域的结构噪声。综合U型梁桥系统振动及结构噪声的计算结果,考虑到工程成本,用于高架结构的隔离式减振垫垂向刚度取为0.067N/mm~3较为合适。     

简支梁桥上嵌入式轨道钢轨伸缩变形和受力算法研究

为研究简支梁桥上嵌入式轨道无缝线路钢轨伸缩变形和受力的分布规律,基于梁轨相互作用推导其伸缩变形和受力的解析算法,求解钢轨纵向位移、梁轨相对位移及钢轨伸缩力,分析梁体温度变化、纵向刚度比、桥墩纵向刚度以及桥梁跨数对嵌入式轨道结构伸缩变形和受力的影响。研究结果表明:解析算法求解结果与有限元分析结果吻合良好;梁体温度变化对嵌入式轨道结构的变形和受力影响显著,而纵向刚度比、桥墩纵向刚度和桥梁跨数的影响较小;梁轨相对位移极值可作为简支梁上嵌入式轨道无缝线路的设计限值指标。     

郑西铁路客运专线无砟轨道桥梁设计及思考

研究目的:郑州至西安铁路客运专线为我国第一条在湿陷性黄土地区修建的无砟轨道铁路客运专线,通过该线渑池至灵宝段无砟轨道桥梁设计关键技术问题的研究分析,解决在湿陷性黄土地区修建客运专线无砟轨道铁路桥梁的设计问题。研究结果:通过郑西线渑池至灵宝段无砟轨道桥梁设计关键技术问题的研究分析,提出了湿陷性黄土湿陷性厚度和负摩阻力取值原则、沉降计算方法和控制原则、桥墩横向刚度控制办法及相邻桥墩纵向线刚度控制原则,并提出了郑西线桥梁施工中需要注意的一些重要问题。     

基于考虑无缝线路轨道力的铁路桥梁下部结构刚度控制研究

铁路桥梁设计过程中,尤其是高墩铁路桥梁结构,为了满足规范规定的墩顶刚度标准,下部结构往往体量大,经济指标不合理,且有些非标准大跨度桥梁结构墩顶刚度取值并没有标准可以执行。桥上无缝线路轨道力与铁路桥梁下部结构刚度有着密切联系,互相影响。文章以梁轨相互作用原理为依据,通过建立常用跨度简支梁及其桥上无缝线路共同作用的有限元模型,探究轨道力与墩顶刚度的关系,分析墩顶刚度合理取值的判别标准。结论表明:在保证无缝线路轨道结构和桥梁结构受力安全的前提下,墩顶刚度取值可以适当减小,并给出了非标准跨度简支梁墩顶刚度取值的计算方法和控制标准。     

广珠城际简支梁墩顶纵向水平线刚度限值研究

桥上无缝线路设计是跨区间无缝线路设计的重要组成部分,在桥上铺设无缝线路必须进行梁轨相互作用分析,并对桥梁和轨道结构进行检算。桥上无缝线路钢轨、墩台的纵向力及位移的分布很大程度上取决于桥梁墩台纵向水平线刚度。针对广珠城际铁路的活载类型、轨道结构类型等具体情况,根据桥墩纵向水平线刚度的控制条件,对常见跨度的简支梁桥墩纵向水平线刚度的限值进行了分析计算。     

考虑轨道静态变位的简支梁竖向刚度限值研究

研究目的:高速铁路桥梁在徐变、温度、桥墩沉降等作用下会发生多种静态变位,进而影响轨道平顺性与列车走行舒适性和安全性。本文将桥梁静态变位与列车活载下的动态变形统筹考虑以获取简支梁竖向刚度限值,使得列车在一定轨道静态变位的简支梁上具有优良的走行性。研究结论:(1)小于活载挠度的初始桥梁上拱对列车走行性有利,而初始下挠、桥墩不均匀沉降、轨面随机不平顺及过大的初始上拱均为不利因素;(2)规范在桥梁刚度的限值上留有一定富余度,跨度越短、车速越高则对桥梁静态变位的要求越严格;(3)设计时可在预测桥梁静态变位的基础上合理选择桥梁刚度,养护时则可根据当前桥梁的实际刚度和静态变位组合采取整治措施;(4)本研究成果可为铁路桥梁刚度设计、运营维护及规范修订提供参考。