【摘要】：中國(guó)高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)從大規(guī)模建設(shè)進(jìn)入了長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)階段。受特殊地域與復(fù)雜環(huán)境影響,高速鐵路橋梁在墩臺(tái)沉降、混凝土收縮徐變、溫度作用和地震荷載等作用下不可避免地發(fā)生多種橋梁附加變形,進(jìn)而影響軌道平順性與行車(chē)安全。本文選取CRH2型高速列車(chē)、6跨32m等跨布置的高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋和CRTSⅠ型單元板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與有限元聯(lián)合仿真方法建立了高速列車(chē)-橋梁耦合振動(dòng)模型,采用橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形與軌面幾何形態(tài)通用映射解析模型獲取的軌道附加變形與軌道隨機(jī)不平順疊加作為系統(tǒng)激勵(lì),深入研究了橋墩不均勻沉降、梁體徐變上拱及二者組合效應(yīng)對(duì)高速列車(chē)-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響機(jī)理和變化規(guī)律,并基于高速列車(chē)運(yùn)行安全性與舒適性要求,提出橋墩不均勻沉降及梁體徐變上拱閾值,主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:(1)在綜述高速鐵路橋梁附加變形對(duì)高速行車(chē)安全影響的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,指出現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題,闡明研究橋墩不均勻沉降、梁體徐變上拱及二者組合效應(yīng)對(duì)列車(chē)-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律,提出橋墩不均勻沉降與梁體徐變上拱閾值的必要性。(2)在闡述車(chē)-橋耦合振動(dòng)理論模型的基本假定及動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上,基于多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK與通用有限元軟件ANSYS聯(lián)合仿真,建立了包含31個(gè)自由度的CRH2型高速列車(chē)模型和高速鐵路6跨32m等跨布置的簡(jiǎn)支梁橋空間有限元模型,定義了考慮法向上的Hertz彈性接觸理論和切向上的Kalker線性蠕滑理論的輪軌接觸關(guān)系,采用三角級(jí)數(shù)法擬合生成德國(guó)低干擾軌道隨機(jī)不平順。依托宜萬(wàn)鐵路獅子口大橋主橋動(dòng)載試驗(yàn),對(duì)比分析了橋梁自振特性與梁體跨中動(dòng)撓度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值,驗(yàn)證了車(chē)-橋耦合振動(dòng)模型的有效性和可靠性。(3)基于考慮軌道層間結(jié)構(gòu)幾何形位交互影響及變形協(xié)調(diào)效應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形與軌面幾何形態(tài)通用映射解析模型,計(jì)算得到橋墩不均勻沉降、梁體徐變上拱及二者組合效應(yīng)下映射至軌面的附加變形。探究了軌面幾何形態(tài)的變化趨勢(shì)和發(fā)展規(guī)律,疊加軌面附加變形與軌道隨機(jī)不平順獲取車(chē)-橋系統(tǒng)的激擾源。(4)選取了單墩沉降、單墩相對(duì)上抬、兩相鄰橋墩沉降以及兩非相鄰橋墩沉降等四種橋墩不均勻沉降工況,基于已驗(yàn)證的高速列車(chē)-橋梁耦合振動(dòng)模型,研究了車(chē)體橫、豎向加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪對(duì)橫向水平力等車(chē)輛動(dòng)力特性指標(biāo)隨橋墩沉降量、車(chē)速的變化規(guī)律。研究表明,橋墩不均勻沉降主要影響列車(chē)豎向動(dòng)力響應(yīng),對(duì)橫向動(dòng)力響應(yīng)影響較小;車(chē)體豎向加速度、脫軌系數(shù)及輪重減載率隨橋墩沉降量及車(chē)速的增大而逐漸遞增;車(chē)體橫向加速度、輪對(duì)橫向水平力與車(chē)速的變化呈正相關(guān),而隨橋墩沉降量的變化不明顯。車(chē)體各項(xiàng)動(dòng)力特性指標(biāo)中,車(chē)體豎向加速度對(duì)橋墩沉降量的變化最為敏感且最先達(dá)到規(guī)范限值,基于車(chē)體豎向加速度限值提出橋墩不均勻沉降閾值為11.67mm。(5)在闡述混凝土徐變機(jī)理、影響因素及理論計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)MIDAS/CIVIL建立了高速鐵路32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋模型,計(jì)算了不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間的梁體徐變上拱變形,選取正弦曲線對(duì)梁體徐變上拱變形進(jìn)行擬合。通過(guò)車(chē)-橋耦合振動(dòng)計(jì)算研究了不同徐變量及車(chē)速對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全性指標(biāo)和舒適性指標(biāo)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。研究表明列車(chē)豎向動(dòng)力響應(yīng)受梁體徐變上拱的變化影響較大,而列車(chē)橫向動(dòng)力響應(yīng)受梁體徐變上拱的影響不明顯;隨著車(chē)速的增大,列車(chē)各項(xiàng)安全性指標(biāo)與舒適性指標(biāo)均相應(yīng)增大;車(chē)體豎向加速度、脫軌系數(shù)及輪重減載率隨梁體徐變量的增加而逐漸增大,而車(chē)體橫向加速度、輪對(duì)橫向水平力隨梁體徐變量的改變無(wú)明顯變化。在各項(xiàng)研究指標(biāo)中,車(chē)體豎向加速度對(duì)梁體徐變量的變化最為敏感且最先達(dá)到規(guī)范限值,基于車(chē)體豎向加速度限值提出梁體徐變上拱閾值為12.31mm。(6)選取兩非相鄰橋墩沉降最不利工況與梁體徐變上拱組合,探究了橋墩不均勻沉降與梁體徐變上拱組合效應(yīng)對(duì)車(chē)-橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。研究表明,相比于橋墩不均勻沉降與梁體徐變上拱單獨(dú)作用,二者的組合效應(yīng)會(huì)加劇車(chē)-橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。車(chē)體豎向加速度和輪重減載率隨沉降量、徐變量以及車(chē)速的增加而增大,且車(chē)體豎向加速度較輪重減載率更先達(dá)到規(guī)范限值要求。兩者組合效應(yīng)下,基于車(chē)體豎向加速度可以提出更具參考價(jià)值的橋墩不均勻沉降閾值為11.12mm,梁體徐變上拱閾值為11.78mm。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U447;U298.1
【圖文】：

圖 2-10 CRH2 型高速列車(chē)模型2.6.3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型采用 ANSYS 軟件建立橋梁空間實(shí)體有限元模型，并進(jìn)行子結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，得到橋梁模型剛度、質(zhì)量、模態(tài)信息等信息，通過(guò)接口軟件 FEMBS 程序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)導(dǎo)入多體動(dòng)力系統(tǒng)。通過(guò)定義輪軌接觸離散點(diǎn)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與橋梁結(jié)構(gòu)作用力的交換，從而建立車(chē)－橋耦合振動(dòng)模型。本文參考高速鐵路常用雙線 32m 箱型梁建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，梁體截面形式如圖 2-11 所示，橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 2-5。采用實(shí)體單元 SOLID45 對(duì)梁體及橋墩進(jìn)行模擬，主梁支座位置處節(jié)點(diǎn)和墩頂節(jié)點(diǎn)采用主從節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行耦合，不考慮樁土作用，墩底按固結(jié)處理。6 跨 32m 等跨布置簡(jiǎn)支梁橋有限元模型如圖 2-12 所示。對(duì)高速鐵路常用雙線 32m 簡(jiǎn)支梁橋模型進(jìn)行振型分析，得到其前 5 階自振頻率和振型特點(diǎn)，見(jiàn)表 2-6。12600

速鐵路常用雙線 32m 箱型梁建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，梁體截結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 2-5。采用實(shí)體單元 SOLID45 對(duì)梁體及節(jié)點(diǎn)和墩頂節(jié)點(diǎn)采用主從節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行耦合，不考慮樁 32m 等跨布置簡(jiǎn)支梁橋有限元模型如圖 2-12 所示。對(duì)橋模型進(jìn)行振型分析，得到其前 5 階自振頻率和振型特點(diǎn)4001600500760022%3% 0%4368503402850 21004641050 36728523058137308203862500600 275012600500 1600 0% 3%2%2100846410502750600500圖 2-11 雙線 32m 簡(jiǎn)支梁梁體截面(單位：mm)

車(chē)－橋動(dòng)

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本文編號(hào)：2785653