列車—軌道（橋梁）系統(tǒng)豎向振動分析.pdf

1、我國列車不斷提速。隨著列車速度的不斷提高，軌道、橋梁結(jié)構(gòu)受到的動力沖擊作用越來越大，列車自身的動力響應(yīng)也在增大。國內(nèi)外對列車—軌道(橋梁)豎向振動的研究很多，但在下列方面仍存在一些問題：例如：鋼軌截面剪力和彎矩的計算公式，高速列車—板式軌道—橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)的有限元分析，車輪跳離鋼軌的安全性，橋梁的撓度和應(yīng)力沖擊系數(shù)等。本文針對上述問題，開展了一系列的工作，取得了如下成果： 1.首次基于單元動力的平衡條件，提出了計算移動列車作用

2、下連續(xù)或離散粘彈性基礎(chǔ)鋼軌任意截面剪力和彎矩的有限元公式。所提出的公式不僅能退化為計算移動列車作用下簡支或連續(xù)Bemoulli-Euler梁任意截面剪力和彎矩的有限元公式，也能退化為計算靜止荷載作用下Winkler基礎(chǔ)Bemoulli-Euler梁任意截面剪力和彎矩的有限元公式。用幾個算例驗證了所提出公式的正確性，并與使用直接對位移求導(dǎo)方法的計算結(jié)果進行了對比。數(shù)值結(jié)果表明：與直接對位移求導(dǎo)的方法相比，運用本文所提出的有限元公式可以顯著

3、提高計算結(jié)果的精度及計算效率。 2.視列車、橋梁兩端有碴軌道、橋上板式軌道以及多座橋梁為一個整體系統(tǒng)，將軌道和橋梁用有限元離散，利用曾慶元院士提出的彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變值原理及形成矩陣的“對號入座”法則，首次建立了有限元形式的系統(tǒng)振動矩陣方程。分析了兩種確定性軌道不平順(鋼軌扣件失效不平順、鋼軌表面存在單一諧波型不平順)對系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響；研究了軌道高低隨機不平順激擾下高速列車與橋上板式軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明：(

4、1)為了高速列車安全運行及軌道處于良好的受力狀態(tài)，應(yīng)保證扣件處于正常的工作狀態(tài)，嚴(yán)格限制短波長不平順的波深；(2)簡支梁橋設(shè)計宜用應(yīng)力沖擊系數(shù)，而不宜用撓度沖擊系數(shù)；(3)秦沈客運專線24m跨度橋梁以及軌道參數(shù)能保證高速列車正常運行，故能用于高速鐵路設(shè)計之中。 3.基于輪軌剛性接觸模型，首次導(dǎo)出了考慮輪對跳離鋼軌的2軸車輛—橋梁振動矩陣方程，數(shù)值模擬了車輪從正常接觸鋼軌、跳離鋼軌到再次接觸鋼軌的動態(tài)過程。數(shù)值結(jié)果顯示：當(dāng)車輪跳離

5、鋼軌時，對于同樣的不平順波長la，不平順波深-a越大、車速越高，車輪跳離得越高，輪軌沖擊力越大，第2次輪軌分離的持續(xù)時間越長，輪軌兩次分離之間的時間間隔越短。 4.將下承式簡支桁架橋、橋上的雙層懸掛機車及其牽引的多輛具有一系中央懸掛的貨車視為一個系統(tǒng)，首次導(dǎo)出了該系統(tǒng)的豎向振動矩陣方程。利用我國三大干線軌道高低隨機不平順功率譜密度函數(shù)，計算了提速貨物列車和旅客列車通過64m跨度下承式簡支鋼桁架橋時下弦桿節(jié)點的撓度沖擊系數(shù)和每根桿

6、件的應(yīng)力沖擊系數(shù)。數(shù)值結(jié)果顯示：(1)提速旅客列車以速度160、180、200 km/h運行時的橋梁撓度沖擊系數(shù)和桿件應(yīng)力沖擊系數(shù)均小于貨物列車以速度60、70、80、90 km/h運行時相應(yīng)的沖擊系數(shù)；(2)在桁梁設(shè)計中宜用應(yīng)力沖擊系數(shù)，而不宜用撓度沖擊系數(shù)。 5.分別導(dǎo)出了有限元法和模態(tài)分析法的雙層軌道結(jié)構(gòu)模型的列車-有碴軌道-橋梁系統(tǒng)豎向振動的矩陣方程。對比了兩種方法的計算結(jié)果和計算效率，數(shù)值結(jié)果表明：(1)用有限元法計