風-列車-線路-橋梁系統(tǒng)耦合振動研究.pdf

1、高速鐵路大跨度橋梁的增多，使得列車在特大跨度橋上遇到強風作用的機率越來越高。因此，橫風作用下行車的安全性和舒適性、線橋結構的安全性等問題也越發(fā)突出，但目前這方面的研究還很少。本文在國內外研究成果的基礎上，全面考慮了風、列車、軌道和橋梁四個因素，提出了一種較為完善的風-列車-線路-橋梁系統(tǒng)耦合動力分析模型，并編制了相應的橋梁動力分析軟件WTTBDAS。該模型全面考慮了風-橋相互作用、風-車相互作用、輪-軌相互作用，橋-軌相互作用，較為真實

2、地反映了風、列車、橋梁之間的氣動耦合作用關系以及列車、軌道和橋梁之間的幾何、力學耦合關系及整個系統(tǒng)的時變特性。
　　 本文首先建立了比較完善的高速鐵路四軸車輛模型，將車輛視為包含一個車體、兩個轉向架和四個輪對的多剛體系統(tǒng)，每個剛體均考慮橫向、垂向、側滾、搖頭、點頭自由度，共35個自由度，同時考慮了車輛懸掛系統(tǒng)的各種非線性因素；建立了有碴軌道、長枕埋入式無碴軌道動力學模型，鋼軌模擬成離散彈性點支承基礎上的無限長Euler梁，軌枕及

3、離散后的道床視為剛性質量塊；采用有限元法建立橋梁的動力學模型。其次介紹了軌道不平順、脈動風速場的模擬方法，討論了風、列車、線路和橋梁四個子系統(tǒng)間的相互作用關系。輪軌相互作用采用了新型的動態(tài)輪軌關系，可以考慮輪軌之間的彈性接觸變形和輪軌瞬時脫離，采用Hertz非線性彈性接觸理論計算輪軌間的法向力；風橋、風車相互作用考慮了車輛位置和橋道間氣動系數(shù)的相互影響，考慮了橋梁上的靜風力、抖振力和自激力，車輛上的靜風力和抖振力。采用顯式和隱式相結合的

4、混合積分法進行風-車輛-線路-橋梁系統(tǒng)動力方程的求解，編制了相應的計算程序WTTBDAS，采用多種數(shù)值算例和試驗結果對其功能和可靠性進行了驗證。最后以一座跨徑布置為65+221+560+221+65m的高速鐵路特大跨度斜拉橋方案為工程背景，從車輛運行速度、單雙線行車、車型、軌道結構型式、軌道不平順等方面對車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的動力響應進行了分析。在橫風作用下，詳細討論了不同風荷載、風速大小、列車運行速度等因素對風-列車-線路-橋梁系統(tǒng)的

5、動力響應的影響，并對風速閥值的確定方法做了介紹。
　　 本研究完善了目前橫風作用下的車橋耦合振動分析模型，拓展了現(xiàn)有車線橋耦合振動分析模型的應用范圍。研究表明：⑴不同車型對系統(tǒng)的動力響應規(guī)律不完全相同，不同車輛對系統(tǒng)動力性能的影響除了靜軸重以外，還與列車車軸彈簧阻尼情況、空氣彈簧彈性系數(shù)等多種參數(shù)有關。⑵有碴軌道和無碴軌道結構型式對系統(tǒng)的響應有一定的影響，但均能滿足特大跨度橋梁高速行車的要求。⑶軌道不平順對橋梁的位移影響很小，但

6、對橋梁的加速度響應有一定的影響；軌道不平順對車輛和軌道結構的動力響應影響很大。⑷無風時，車輛運行速度對橋梁、軌道和車輛的動力響應影響均很大；單、雙線行車對橋梁的影響較大，而對車輛和線路結構的動力響應影響較小。⑸橋梁上的靜風對橋梁的位移有較大的影響，對橋梁加速度、軌道和車輛的動力響應影響很小；車輛上的靜風力對系統(tǒng)的垂向響應影響不大，但對橫向響應影響很大；風的脈動成份對系統(tǒng)的影響較大；考慮風的作用能顯著增加系統(tǒng)的動力響應。⑹車輛、軌道和橋梁