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强地震作用下大跨度桥梁空间动力效应及列车运行安全研究

作　者: 杜宪亭
导　师: 夏禾；张楠
学　校: 北京交通大学
专　业: 桥梁与隧道
关键词: 地震空间变异性桥梁高速列车动力相互作用行车安全
分类号: U441.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文是国家自然科学基金项目“强地震/强风作用下长大桥梁空间动力效应及行车安全控制研究”的研究成果之一。高速铁路对解决大城市之间的交通问题以及促进经济、社会发展起到越发重要的作用。为了减少对铁路沿线对既有环境的影响,高架桥梁在高速铁路线中的比重不断增加。随着列车速度的提高,列车运营班次亦随之增加,呈现出“公交化”趋势。相对于过去,在地震多发区域列车行驶在桥梁上遭遇突发地震的概率大大提高。因此,车桥耦合动力分析考虑地震作用成为了一项重要课题。在借鉴国内外已有研究成果的基础上,针对长大桥梁特点,视地震、桥梁和车辆为一个统一的大系统,建立了多层次的地震-车-桥分析模型；并编制了相应的分析程序；研究了不同地震动输入模式、地震动空间变异因素、行车速度等对桥梁上运行列车安全性的影响。主要研究工作和成果如下：11考虑空间变异性的多点地震动模拟针对长大桥梁,在仅已知场地特征条件下,采用基于谱方法的无条件模拟技术产生多点地震波；若给定单点地震波,则采用基于多变量线性预测理论的条件模拟技术产生多点地震波。桥梁一般远离震源,结束时刻的速度、位移均为零值；采用一致化方法能够从地震加速度时程得到满足该要求的地震记录。21地震动输入模式在回顾桥梁抗震中地震激励输入的基础上,结合车桥耦合振动特点,对比分析了不同地震激励输入模式的特点、实现方法以及适用性,得到如下结论：与桥梁抗震关注相对运动不同,地震-车-桥分析需要研究系统的绝对运动。位移输入模式对于所有轮轨关系均能适用；而加速度输入模式仅适用于轮轨关系为线性的情况,并且需要考虑拟静力分量对车桥耦合系统的影响。》当桥梁结构采用振型叠加法时,若采用地震位移输入模式,则必须考虑尽可能多的结构模态。31多层次的地震-车-桥分析模型视简支梁桥为连续体,运动由微分方程描述,而列车简化为一系列的簧上质量；从而建立了多点地震激励作用下车桥耦合简化分析模型。应用该模型可以研究地震多点激励、轨道不平顺等对车桥系统耦合振动的影响。基于有限元法与轮轨分离模型,建立了强地震作用下高速列车通过长大桥时动力相互作用分析模型。该分析模型既考虑了长大桥梁的多点地震激励,又模拟了可能出现的车轮悬浮。4)地震-车-桥分析的数值求解在考虑层、联结度判据基础上,通过新增列高和判据进行节点正序排列,从而解决了有限元带宽优化RCM算法的不稳定性问题；然后,应用于地震-车-桥分析。采用Newmark-β方法结合同步迭代求解车桥动力相互作用；迭代初始时刻的车桥系统运动状态由前两步的系统运动状态应用显式积分公式预测得到。在采用极小时间步长的情况下,上述策略使得数值求解成为可能。将桥梁、车辆分别简化为竖向振动的弹簧振子、簧上质量系统,应用谱半径理论研究不同轮轨关系、不同迭代格式下车桥动力相互作用的数值求解稳定性问题,针对可能引起迭代计算发散的原因,提出了基于虚拟质量法的改进措施。5)地震作用下高速列车过桥时动力响应及轮轨分离规律研究选取8节IEC3列车通过3跨钢桁拱桥遭遇地震作用为研究对象进行分析,从数值结果中得出如下结论：地震地面运动的空间变异性对对车-桥系统的动力响应影响很大。采用地震地面运动加速度作为地震输入由于忽略了拟静力项的影响,可能低估车-桥系统的地震响应。非均匀的地面运动显著加大了单位时间内轮轨分离的次数和持续时间。另外,车速越快,轮轨分离的可能性越大。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第1章引言  14-30
  1.1 研究背景  14-17
  1.2 研究现状  17-26
    1.2.1 车桥耦合振动分析研究  17-19
    1.2.2 地震作用下的车桥耦合振动研究  19-26
  1.3 研究思路与主要内容  26-30
第2章空间变异地面运动  30-54
  2.1 地震地面运动的空间变异性  30-32
  2.2 考虑空间变异性的地震地面运动模拟  32-41
    2.2.1 无条件模拟  32-37
    2.2.2 有条件模拟  37-41
  2.3 地震记录的一致化  41-43
  2.4 空间地震动输入  43-53
    2.4.1 有限元分析模型  44-47
    2.4.2 模态分析模型  47-48
    2.4.3 算例  48-52
    2.4.4 小结  52-53
  2.5 本章小结  53-54
第3章车桥系统动力分析模型  54-70
  3.1 车辆模型  54-57
    3.1.1 基本假定  54
    3.1.2 车辆运动方程  54-57
  3.2 桥梁分析模型  57-68
    3.2.1 三维梁单元刚度矩阵及附加非线性节点力  57-64
    3.2.2 质量刚度矩阵梁、单元坐标转换矩阵刚及阻尼  64-66
    3.2.3 振型叠加法  66-68
  3.3 本章小结  68-70
第4章轮轨关系  70-86
  4.1 轮轨分离模型  70-78
    4.1.1 轮轨接触几何  71-73
    4.1.2 轮轨间法向力  73-74
    4.1.3 轮轨间蠕滑力  74-76
    4.1.4 相互作用力的合成  76-78
  4.2 密贴接触模型  78-82
    4.2.1 求解轮轨接触几何  78-79
    4.2.2 计算由于轮对非独立自由度运动作用而到转向架上的力  79
    4.2.3 轮轨法向力、切向蠕滑力的迭代求解  79-82
  4.3 竖向密贴-横向蠕滑的线性简化模型  82-83
    4.3.1 轮轨间竖向力  83
    4.3.2 轮轨间横向力  83
  4.4 轨道不平顺  83-84
  4.5 本章小结  84-86
第5章地震作用下车桥动力相互作用分析模型  86-106
  5.1 简化分析模型  86-88
  5.2 多自由度耦合模型  88-91
  5.3 簧上质量通过简支梁遭遇地震响应分析  91-105
    5.3.1 问题描述  91-92
    5.3.2 公式推导  92-95
    5.3.3 数值求解  95-96
    5.3.4 算例  96-105
  5.4 本章小结  105-106
第6章数值求解  106-128
  6.1 有限元存储技术与改进  106-111
    6.1.1 RCM算法基本原理与缺陷  106-108
    6.1.2 改进的RCM算法  108-110
    6.1.3 应用实例  110-111
    6.1.4 结论  111
  6.2 求解方法与流程  111-119
    6.2.1 迭代求解  111-116
    6.2.2 地震作用下车桥动力相互作用求解流程  116-119
  6.3 车桥耦合迭代稳定性分析  119-127
    6.3.1 分离模型  119-121
    6.3.2 密贴模型  121-123
    6.3.3 车桥迭代稳定性分析与提高  123-125
    6.3.4 算例  125-127
    6.3.5 小结  127
  6.4 本章小结  127-128
第7章实例研究  128-146
  7.1 计算参数  128-130
  7.2 计算结果  130-144
    7.2.1 地震动输入模式对比  131-134
    7.2.2 地震行波效应研究  134-136
    7.2.3 地震动不相关性研究  136-139
    7.2.4 轮轨分离规律研究  139-143
    7.2.5 安全列车速度研究  143-144
  7.3 小结  144-146
第8章结论与展望  146-150
参考文献  150-158
作者简历  158-162
学位论文数据集  162

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