地震作用下高速铁路连续钢桁梁桥的车桥耦合振动研究

论文摘要

为了满足线路安全性和平稳性的要求,减少周边因素的干扰,高速铁路需要建造大量的高架桥,使得桥梁总长在高速铁路线路全长中所占比率很高。当线路处于地震多发地带时,列车通过桥梁时发生地震的可能性就很大。因此,很有必要对地震作用下桥梁结构的动力响应及桥上列车走行性和运行安全性的问题进行研究。本文吸取了前人在车桥耦合振动领域的研究成果,以郑州黄河公铁两用5x120m连续钢桁梁桥为工程背景,对地震和列车同时作用下的桥梁响应及桥上列车行走安全性进行了动力仿真计算与研究。主要研究内容包括:1.综述了车桥振动国内外研究的历史与现状,阐述了对地震-车-桥耦合振动系统进行分析研究的必要性。2.建立了较完善的车辆、桥梁动力学的分析模型。针对郑州黄河桥具有三片桁架、边桁向外倾斜形成倒梯形横断面的特点,通过改进前人提出桁段有限元模型,提出倒梯形三桁桁段有限元模型,对该桥进行了模拟。基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则,建立了相应的列车—连续钢桁梁桥时变系统的整体振动方程。3.基于上述桥梁分析模型的基础上,计算了其自振特性,根据振型特点分析了该桥的动力特性。4.对上述列车—连续钢桁梁桥时变系统分析模型进行改进,引入地震波,对该连续钢桁梁桥进行了地震作用下车桥耦合振动计算,得出了不同大小的地震作用下桥梁不同位置的最大横、竖向位移,最大横、竖向加速度等;得出了列车的脱轨系数、轮压减载率、横向摇摆力、横竖向加速度及斯佩林舒适度指标。最后得出结论为:该桥在无震和小震作用下行车安全性都能保证,在中震和大震作用下已不能安全行车。5.研究了地震波对高速铁路大跨度连续钢桁梁桥车桥动力响应的影响。研究结果表明:①横向地震波对车辆与桥梁的横向动力响应具有非常重要的影响。由于桁架桥梁的抗扭刚度较小,横向地震波对车辆和桥梁的竖向振动也有一定的影响;②竖向地震波主要影响车桥系统的竖向振动,对横向振动影响很小。但是竖向地震波对脱轨系数、轮重减载率、车体竖向加速度影响比较显著,因此,评判桥上列车的运行安全性上需考虑竖向地震波的影响;③地震作用下,桥梁的动力响应主要取决于地震力的大小,列车速度对桥梁响应贡献不大。当地震力较小时,车速对车辆的动力响应贡献比较大,车速越大越容易脱轨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铁路钢桁梁桥的发展概况
• 1.2 列车-桥梁耦合振动研究回顾
• 1.2.1 国外研究回顾
• 1.2.2 国内研究回顾
• 1.3 地震作用下车桥耦合振动的研究现状
• 1.4 本文的研究意义及主要研究内容
• 第二章 列车-钢桁梁桥时变系统振动分析模型
• 2.1 三片桁架桁段有限元桥梁模型
• 2.1.1 三片桁架桁段位移模式
• 2.1.2 位移函数
• 2.1.3 振动势能的计算
• 2.1.4 桥面板的考虑
• 2.2 车辆空间振动分析模型
• 2.2.1 车辆空间位移模式
• 2.2.2 车辆空间振动总势能的计算
• 2.2.3 车辆刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、荷载矩阵的形成
• 2.3 车桥时变系统空间振动方程的建立与求解
• 2.3.1 振动方程的建立
• 2.3.2 振动方程的求解
• 第三章 地震作用下列车-桥梁时变系统的建立与求解
• 3.1 高速铁路大跨度桥梁的地震分析
• 3.1.1 地震波输入方法
• 3.1.2 大跨度桥梁多点激励地震反应分析方法
• 3.2 地震作用下车桥耦合振动方程的建立与求解
• 3.2.1 地震作用下的车桥耦合运动方程
• 3.2.2 地震作用下的车桥耦合振动方程的求解
• 3.2.3 地震波的修正
• 第四章 地震作用下连续钢桁梁桥车桥系统振动分析
• 4.1 桥梁的动力特性分析
• 4.1.1 郑州黄河公铁两用桥工程概况
• 4.1.2 郑州黄河公铁两用桥有限元模型计算图示
• 4.1.3 桥梁自振特性计算
• 4.2 车桥振动分析评定标准
• 4.2.1 车辆运行安全性
• 4.2.2 车辆运行平稳性与舒适度
• 4.2.3 车辆运行安全性与舒适性（客车）、平稳性（货车）评价指标
• 4.2.4 桥梁评价标准
• 4.3 地震作用下列车-钢桁梁桥系统动力响应及列车行走安全性评估
• 4.3.1 计算工况
• 4.3.2 计算结果
• 4.3.3 分析结论
• 第五章 地震波强度对连续钢桁梁桥车桥动力响应影响研究
• 5.1 横向地震波的影响
• 5.2 竖向地震波的影响
• 5.3 列车运行速度的影响
• 5.4 地震时高速列车桥上行走安全限界图
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及科研情况