高铁简支箱梁桥设计和车桥共振研究开题报告(2)
1. 车辆-线路-桥梁大系统动力学理论的建立与应用
在经典车辆动力学中，一般只建立车辆的动力学方程，桥梁对车辆振动的研究是通过轮轨相互作用关系及轨道不平顺来考虑的，轨道本身的振动并未涉及。在经典轨道动力学中，无法忽视轨道本身的振动，此时，一般将轨道作为等截面 Euler 梁，来建立其动力学方程；同时，仍建立车辆的动力学方程，车辆轮对与钢轨的弹性接触通过在轮对与轨道之间用线性弹簧模拟。随着计算机技术和数值分析理论的迅速发展，建立车辆~轨道耦合振动模型已经在20世纪90年代初实现。车辆~轨道耦合动力学研究成果表明，轨道本身的振动属于高频范围，这种高频振动本身对车辆振动、桥梁振动的影响不大（因桥梁大都属于低频振动），但是，对轮轨相互作用力的影响极大，也就是说，考虑轨道的振动，并不显著影响车辆与桥梁的振动响应（动位移、加速度），但是会极大地影响脱轨系数与轮重减载率的大小。
鉴于此，现有车桥耦合振动研究中不考虑轨道的振动是一个急需解决的问题。有必要建立车辆—线路—桥梁整个大系统的动力学分析理论与模型，已有一些研究作了初步探讨。在这一理论中，将整个车—线—桥大系统分为车辆、轨道、桥梁三个子系统，分别建立车辆、轨道、桥梁各自的运动方程，然后，通过轮轨相互作用关系将车辆与轨道两个子系统联系起来，通过线桥相互作用关系将轨道与桥梁两个子系统联系起来。可以预见，随着车辆—线路—桥梁大系统动力学理论的建立与应用，该分析模型能够更真实地模拟车线桥振动的实际情况，从而得到更真实的计算分析结果，为解决铁路提速及高速铁路中的桥梁动力学问题提供强有力的分析手段。
2.桥梁在特殊荷载作用下的列车安全性问题
随着铁路建设的发展，跨越大江大河的大跨度桥梁的修建将日益增加，桥梁的跨度也将越来越大。对大跨度铁路桥梁而言，不仅要研究列车过桥时的振动问题，更重要的是要研究在风荷载、地震荷载等特殊荷载作用下，桥上列车运行的安全性和舒适性问题，以及桥梁结构本身的安全与振动状态问题。(1) 风荷载作用下车桥系统的振动在强风作用下，大跨度桥梁的动力响应与结构抗风性能问题一直是影响大跨度桥梁结构设计的一个重要因素，对大跨度桥梁必须进行风洞试验和抗风分析。同时，列车过桥时，由于列车的阻风面积较大，在风荷载作用下结构的气动性能与无车时可能有较大的变化，一方面可能导致桥梁在一定的风速下发生明显影响的抖振响应，另一方面，又影响列车过桥时的车桥动力响应，或者说，列车过桥时由于风的脉动效应产生下的车桥动力响应往往有可能起重要作用。1995年，夏根据Darvenport 风速功率谱模拟脉动风样本，以轨道不平顺与轮对蛇行作为系统激励源，车辆采用简化的11个自由度的一系悬挂车辆横向振动模型，桥梁采用模态法，分析了斜拉桥在风荷载作用下的横向振动响应以及系统的动力可靠性，得到一些有意义的研究成果。但其车辆模型与轮轨接触关系过于简单。最近，夏禾[62~65]等将其研究方法作了进一步的完善：(1）车辆模型采用27个自由度的空间分析模型；(2)考虑风荷载作用在桥梁与车辆上的静风力、抖振力和风与桥梁或车辆运动形成的相互作用而产生的自激力。夏禾等运用该方法分析了青马大桥在风与列车荷载同时作用下的振动响应，对比分析了桥梁在有风与无风状态的动力响应，结果表明，青马大桥在60m/s的风速下，桥梁的动力响应由风力控制，桥梁横向和竖向振幅分别达到160cm和90cm[64、65] 。作者认为，在研究风荷载作用下的车桥振动问题，需要通过风洞试验，研究、测试在有车和无车情况下结构的气动参数（包括桥梁与列车的），用数值方法进行大跨度桥梁桥址区的风场模拟，考虑风荷载作用在桥梁与车辆上的静风力、抖振力和风与桥梁或车辆运动形成的相互作用而产生的自激力，在此基础上建立考虑车辆、桥梁与风荷载三者共同作用下的动力分析理论与计算模型，进行计算与分析，为结构的合理设计提供参数，同时给出大跨度铁路桥梁列车行车的预报风速与封闭风速。(2)地震荷载作用下车桥系统的振动对大跨度铁路桥梁，从桥梁地震动力响应对列车运行安全性影响的角度来看，由于大跨度桥梁的跨度一般都很大，且多为双线桥梁，桥上有列车运行的时间比例相应大为增加，列车一旦出轨造成的损失较普通桥梁大得多，因此，在抗震设计中应该考虑车桥系统的耦合振动响应问题；另外，大跨度桥梁的固有周期较长，地震激励中的长周期分量对桥梁振动响应的贡献及响应的长周期分量相应增加。由于列车的横向摇摆振动周期较低，在桥梁低频振动激励的作用下，车辆有可能发生共振响应从而危及行车安全；同时，由于大跨度桥梁的横向刚度较低，地震位移响应较大，在与列车及其它横向荷载引起的位移迭加时也有可能危及列车的运行安全性。因此，研究地震动作用下桥上列车的安全性问题十分必要。最近，陈英俊等[38]在这领域作了一些探索，研究了地震动作用下桥上列车的运行安全性。但是，该研究主要考虑水平地震动引起的列车运行安全性问题，其车辆分析模型只考虑横向振动。阎贵平[66]采用 17 个自由度的车辆空间模型，研究了列车与刚梁柔拱组合系桥系统在地震荷载作用下的动力响应，但其地震波按一文水平输入。实际上，许多研究表明[67~68]，大跨度桥梁的抗震分析不仅要考虑水平地震的影响，应考虑地震动在纵向与竖向分量的输入，以及水平、纵向与竖向各分量组合的输入。因此，有必要建立车辆空间振动模型，考虑地震动的三文输入。
上一篇：酒店空调系统设计开题报告