強(qiáng)風(fēng)作用下列車-汽車-橋梁時(shí)變系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及行車安全性、舒適性研究.pdf

1、風(fēng)-列車-汽車-橋梁耦合振動(dòng)的研究對(duì)行車安全與舒適、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)具有十分重要的意義。本文的主要工作如下：
　　 1、完善了列車空氣動(dòng)力模型。列車簡化為彈簧阻尼相連的多剛體體系。作用于列車上的風(fēng)包括列車運(yùn)動(dòng)風(fēng)和自然風(fēng)。風(fēng)對(duì)列車的氣動(dòng)力主要由風(fēng)與列車相對(duì)速度的大小以及相關(guān)的列車氣動(dòng)系數(shù)等確定。而列車氣動(dòng)系數(shù)的確定，除了考慮列車本身外形及其附近橋梁斷面形狀的影響外，還與相對(duì)風(fēng)與列車運(yùn)行方向的偏轉(zhuǎn)角(即風(fēng)偏角)有關(guān)。相對(duì)風(fēng)的大小可

2、根據(jù)列車車速、平均風(fēng)速及其該時(shí)刻該節(jié)列車車廂質(zhì)心所對(duì)應(yīng)主梁位置處的脈動(dòng)風(fēng)速來計(jì)算。
　　 2、建立了兩種汽車空氣動(dòng)力模型。一種是“汽車接觸點(diǎn)側(cè)滑模型”，可模擬極短時(shí)間內(nèi)突然風(fēng)對(duì)橋上運(yùn)行汽車的瞬時(shí)影響，適用于突然風(fēng)作用下開展橋上汽車運(yùn)行安全性評(píng)估；另一種是“汽車接觸點(diǎn)非側(cè)滑模型”，可模擬一定持續(xù)時(shí)間內(nèi)在特定條件下自然風(fēng)對(duì)橋上運(yùn)行汽車的影響，適用于持續(xù)風(fēng)作用下同時(shí)開展橋上汽車運(yùn)行安全性、舒適性評(píng)估。這兩種模型汽車分別采用了不同的自由

3、度數(shù)，不同的汽車輪胎與橋面相互作用力模擬計(jì)算方法，但風(fēng)對(duì)汽車氣動(dòng)力的模擬計(jì)算方法相同，而且均與風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)力的模擬計(jì)算方法類似。
　　 3、分別建立了鐵路橋梁、公路橋梁以及公鐵兩用橋的空氣動(dòng)力分析模型。橋梁結(jié)構(gòu)本身采用空間有限單元來模擬，大跨橋梁可考慮幾何非線性的影響。而風(fēng)對(duì)橋梁的氣動(dòng)力主要包括靜風(fēng)力、抖振力和自激力，橋梁氣動(dòng)力的大小主要由平均風(fēng)速、脈動(dòng)風(fēng)速及橋梁的氣動(dòng)系數(shù)等確定。而橋梁氣動(dòng)系數(shù)的確定，不僅與主梁斷面本身形狀有關(guān)

4、，還需考慮梁上列車(或汽車)外形的影響。故計(jì)算主梁氣動(dòng)力時(shí)，對(duì)于主梁附近是否有車，采用了不同的氣動(dòng)系數(shù)。對(duì)于高墩大跨橋梁，還可同時(shí)考慮作用在主梁和高墩氣動(dòng)力的影響。對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)速的模擬，可考慮不同水平位置及不同高度的空間相關(guān)性。
　　 4、提出了一種高效、實(shí)用的分析方法來建立風(fēng)-汽車-列車-線路-橋梁時(shí)變系統(tǒng)的空間耦合振動(dòng)方程。該方法易于計(jì)算機(jī)實(shí)施，可方便考慮不同類型汽車和列車、不同車流分布、列車的單雙線行車、不同路面粗糙度、不同

5、軌道不平順、不同列車速度、不同汽車速度、不同自然風(fēng)速等實(shí)際情況的影響。提出了相應(yīng)的數(shù)值算法-“差分解耦法”和“預(yù)測(cè)-隱式積分法”，可精確高效的求解空間耦合振動(dòng)方程，該方法在每一時(shí)間積分步內(nèi)不需要迭代也不需要重新生成剛度、阻尼、質(zhì)量矩陣。
　　 5、基于“Visual Fortran6.5”編制了“風(fēng)-汽車-列車-線路-橋梁”大型耦合計(jì)算“VSI”(Vehicle and Structure Interaction dynamic

6、 program)程序，該程序具有良好的通用性，可以模擬常見的不同類型的橋梁、汽車和列車。開展橋梁風(fēng)致振動(dòng)、橋梁動(dòng)力特性、風(fēng)-列車-橋梁耦合振動(dòng)、風(fēng)-汽車-橋梁耦合振動(dòng)、風(fēng)-汽車-列車-橋梁耦合振動(dòng)等的計(jì)算。通過“殘差監(jiān)視”保證方程求解的精度，通過“車輛預(yù)警”實(shí)時(shí)監(jiān)視車輛的運(yùn)行狀態(tài)。
　　 6、開展了風(fēng)-高速列車-線路-簡支梁耦合振動(dòng)分析。以高速鐵路32m簡支梁為工程背景，建立了簡支梁橋的有限元模型。然后開展了無風(fēng)期間高速列車-

7、線路-簡支梁振動(dòng)分析，主要探討了列車車速、單雙線行車等對(duì)車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，根據(jù)車橋動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果和相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁動(dòng)力性能和高速列車運(yùn)行安全性、舒適性進(jìn)行了評(píng)估。接著開展了強(qiáng)風(fēng)期間高速列車-線路-簡支梁振動(dòng)參數(shù)分析，探討了列車車速、自然風(fēng)速、軌道不平順、車輛氣動(dòng)系數(shù)、橋梁氣動(dòng)系數(shù)等參數(shù)對(duì)車橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。最后分別計(jì)算了四種不同平均風(fēng)速下高速列車以不同車速通過多跨簡支梁橋時(shí)的車橋動(dòng)力響應(yīng)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，得到了確

8、保列車安全舒適通過簡支梁時(shí)對(duì)應(yīng)的列車臨界車速，提出了多風(fēng)期間確保列車安全運(yùn)營和橋梁正常使用的控制標(biāo)準(zhǔn)。
　　 7、研究了風(fēng)-汽車-連續(xù)剛構(gòu)橋耦合振動(dòng)。建立了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋--坪子上大橋的有限元模型。首先通過與一成熟軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本程序的可靠性。然后計(jì)算了無風(fēng)時(shí)車速和單雙線行車對(duì)車橋振動(dòng)響應(yīng)的影響。隨后采用兩種方法，研究了不同風(fēng)速下汽車通過剛構(gòu)橋的振動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)建立的安全性和舒適性指標(biāo)，對(duì)汽車進(jìn)行了評(píng)估，進(jìn)而確定了不

9、同路面狀況和行車速度下的臨界風(fēng)速。最后通過橋梁風(fēng)致振動(dòng)和風(fēng)-車-橋耦合分析，探討了風(fēng)和汽車對(duì)橋梁振動(dòng)響應(yīng)的影響。
　　 8、開展了風(fēng)-汽車-列車-公鐵兩用橋耦合振動(dòng)分析。以重慶朝天門大橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立了公鐵兩用橋有限元模型，計(jì)算了橋梁動(dòng)力特性。然后分別開展了七種工況的仿真計(jì)算分析：公鐵兩用橋的風(fēng)振分析、列車-公鐵兩用橋振動(dòng)分析、風(fēng)-列車-公鐵兩用橋振動(dòng)分析、汽車-公鐵兩用橋振動(dòng)分析、風(fēng)-汽車-公鐵兩用橋振動(dòng)分析、汽車-列車-公

10、鐵兩用橋振動(dòng)分析、風(fēng)-汽車-列車-公鐵兩用橋振動(dòng)分析。得到了不同工況下汽車、列車、公鐵兩用橋的最大空間振動(dòng)響應(yīng)及其時(shí)程曲線，并分別探討了風(fēng)、汽車和列車對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響；風(fēng)、汽車對(duì)列車振動(dòng)響應(yīng)的影響；風(fēng)、列車對(duì)汽車振動(dòng)響應(yīng)的影響。最后對(duì)公軌兩用橋的動(dòng)力性能及強(qiáng)風(fēng)作用下橋上列車、汽車運(yùn)行安全性、舒適性進(jìn)行了評(píng)估。計(jì)算結(jié)果表明：汽車對(duì)列車振動(dòng)響應(yīng)影響很小。列車使汽車的橫向振動(dòng)加大，但對(duì)汽車安全性影響很小。風(fēng)對(duì)汽車和列車的豎向振動(dòng)影響較小，