既有重载铁路桥梁提高轴重适应性研究

论文摘要

国外的研究和实践经验表明,增大轴重能够显著提高运输效率,重载运输发达国家大多是在没有进行基础设施大规模投资的情况下,通过既有线改造采用预防性养护维修体制和完善轮轨管理等措施来实现重载运输。目前我国比较典型的重载铁路大秦线和朔黄线主要开行21t-25t轴重0.5-2万吨重载列车,年运量大,列车开行密度高,但在养护维修和轴重两个方面与国外重载铁路存在较大差距。提高轴重会给既有铁路桥梁带来新的挑战,解决既有桥梁对轴重提高的适应性将成为制约既有重载铁路运输发展的关键核心技术。本文从重载车辆-有砟轨道-桥梁系统动力分析的角度出发,以朔黄重载铁路为工程背景,进行了以下创新研究：（1）将转向架分为摇枕和侧架两部分,建立车体、摇枕、侧架和轮对等多刚体组成的车辆空间振动分析模型,改进传统将转向架作为一个整体的车桥耦合分析模型,使其更接近货车实际模型,可以更好地反映货车车辆的作用特征；将轨枕和道床视为刚性Euler梁,利用均布线性弹簧和阻尼模拟道砟,建立三层（钢轨、轨枕和道床）支撑体系的有砟轨道结构空间振动模型；将轨道结构与桥梁结构的相互作用离散成一系列点与点之间的相互作用,轨桥之间采用连续均布线性弹簧和阻尼连接,考虑轨道系统不平顺的影响,建立重载列车-轨道-桥梁系统空间耦合振动分析模型及有限元形式的微分方程。（2）基于提出的重载铁路桥梁动力学理论分析方法,利用MATLAB及大型有限元软件ANSYS,开发重载车辆-有砟轨道-桥梁的三维动力分析仿真软件HTBS1.0:以朔黄重载铁路温塘河特大桥为工程背景,进行营运列车和试验列车作用下重载铁路桥梁综合动力性能现场试验研究,将试验研究与理论分析结果进行对比分析,验证本文提出的理论分析方法和仿真计算软件的可靠性。（3）研制基于WIFI+3G的重载铁路桥梁服役状态在线监测系统,该系统由传感器系统、数据采集系统、数据管理系统、数据处理与分析系统、诊断与报警系统五大部分构成,可实现无线网络传输和在任何有Internet网的地方都能实时观测重载铁路桥梁在运营中的动态行为,并根据评定指标设置了桥梁各项指标限值,当桥梁某一指标到达或超过限值时,系统将自动报警。（4）基于国内外铁路桥梁的标准和规范以及最新的研究成果,确定既有重载铁路桥梁的服役状态评定指标,并以朔黄重载铁路温塘河特大桥为工程背景,基于理论分析、在线监控结果和试验结果,对其服役状态进评估,并分析其对提高轴重的适应性。（5）针对朔黄重载铁路温塘河特大桥的轴重提高到28t-40t的辅助钢梁、分离式主梁体外预应力钢—混凝土组合桁架和自平衡体外预应力等三种加固改造方案,进行静力性能、动力性能和适应的具体轴重进行对比分析,基于理论分析与部分试验研究结果,得到重载铁路桥梁不同加固方案适应的轴重和行车速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外重载铁路发展概况
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 重载铁路桥梁动力学
• 1.3.2 重载铁路桥梁监控与评估
• 1.3.3 既有重载铁路桥梁加固
• 1.4 既有研究存在的问题
• 1.5 本文研究思路及主要内容
• 第二章 重载铁路列车-有砟轨道-桥梁动力学分析理论
• 2.1 引言
• 2.2 重载列车车辆动力分析模型
• 2.2.1 重载列车车辆模型
• 2.2.2 重载列车车辆各构件所作的功
• 2.2.3 车辆有限元形式的空间振动微分方程组
• 2.3 重载铁路有砟轨道结构动力学分析模型
• 2.3.1 有砟轨道空间振动分析
• 2.3.2 有砟轨道空间振动方程
• 2.4 重载铁路桥梁空间振动分析模型
• 2.4.1 局部坐标下的空间梁单元刚度矩阵
• 2.4.2 局部坐标下的空间梁单元质量矩阵
• 2.4.3 局部坐标下的空间梁段单元刚度矩阵和质量矩阵
• 2.4.4 阻尼矩阵
• 2.4.5 重载铁路桥梁空间振动有限元微分方程
• 2.5 重载列车-有砟轨道-桥梁系统动力学分析模型
• 2.5.1 车辆与轨道的耦合关系
• 2.5.2 桥梁与轨道的耦合关系
• 2.5.3 轨道不平顺分析
• 2.5.4 系统动力学分析模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 重载铁路列车-有砟轨道-桥梁系统动力学计算软件及验证
• 3.1 引言
• 3.2 重载铁路列车-轨道-桥梁系统计算软件
• 3.3 重载铁路桥梁现场综合动力性能试验与理论计算对比分析
• 3.3.1 试验方案
• 3.3.2 试验结果与仿真计算结果对比分析
• 3.4 正常运营重载列车通过桥梁的动力试验与理论计算对比
• 3.4.1 试验概况
• 3.4.2 试验结果与仿真计算结果对比分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 重载铁路桥梁服役状态的在线监控
• 4.1 引言
• 4.2 重载铁路桥梁在线监控系统的总体设计
• 4.2.1 在线监控系统的设计思路
• 4.2.2 在线监控系统的描述
• 4.3 重载铁路桥梁在线监控系统的数据采集
• 4.3.1 在线监控数据采集设备
• 4.3.2 在线监控系统数据采集与信号调理
• 4.4 重载铁路桥梁在监控数据的远程传输
• 4.4.1 不同监控数据的远程传输方法
• 4.4.2 监控数据远程传输方案
• 4.5 重载铁路桥梁在线监控数据处理方法及监控软件
• 4.5.1 数据处理与存储方案
• 4.5.2 在线监控软件系统
• 4.6 重载铁路桥梁服役状态实时监控示范工程
• 4.6.1 实际工程测点布置
• 4.6.2 实时监测数据及其分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 既有重载铁路桥梁服役状态评定及提高轴重的适应性分析
• 5.1 引言
• 5.2 铁路桥梁状态评定的原理与依据
• 5.2.1 评定原理
• 5.2.2 理论依据
• 5.2.3 试验依据
• 5.3 评定标准的确定
• 5.3.1 桥梁自振特性
• 5.3.2 桥梁的振动响应
• 5.3.3 列车运行动力指标
• 5.3.4 本文所采用的评定标准及依据
• 5.4 朔黄重载铁路桥梁的状态评定及提高轴重的适应性
• 5.4.1 温塘河特大桥服役状态评定
• 5.4.2 提高轴重适应性分析
• 5.4.3 提速适应性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 适应大轴重列车的既有重载铁路桥梁加固方法
• 6.1 引言
• 6.2 适应大轴重列车的既有重载铁路桥梁加固方法
• 6.2.1 辅助钢梁加固法
• 6.2.2 分离式主梁体外预应力钢—混凝土组合桁架加固法
• 6.2.3 桥梁结构自平衡体外预应力加固法
• 6.3 三种加固方法的静力性能分析比较
• 6.3.1 辅助钢梁加固法的静力性能
• 6.3.2 分离式主梁体外预应力钢—混凝土组合桁架加固法的静力性能
• 6.3.3 桥梁结构自平衡体外预应力加固法的静力性能
• 6.3.4 三种加固法的静力性能比较
• 6.4 三种加固方法的动力性能分析比较
• 6.4.1 辅助钢梁加固法的动力性能
• 6.4.2 分离式主梁体外预应力钢—混凝土组合桁架加固法的动力性能
• 6.4.3 桥梁结构自平衡体外预应力加固法的动力性能
• 6.4.4 三种加固法的动力性能比较
• 6.5 重载铁路桥梁加固后提高轴重的适应性分析
• 6.5.1 加固桥梁未加固桥墩提高轴重的适应性分析
• 6.5.2 既加固桥梁又加固桥墩提高轴重的适应性分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要创新工作
• 7.2 主要研究结论
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录
• 一、发表的学术论文
• 二、参加的科研项目