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37500字硕士毕业论文强风中列车通过大跨度桥塔的安全性综述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:37500字
论点:桥梁,荷载,振动
论文概述:

本文通过建立风-车-桥系统动力分析模型,并釆用计算机模拟的方法,分析了在风荷载作用下列车通过大跨度悬索桥时桥塔遮风效应对车辆和桥梁动力响应的影响

论文正文:

介绍

 1.1论文选题背景及意义桥梁作为联系国民经济建设的纽带,必须保证其正常运行。桥梁的正常运行包括两方面:一、桥梁结构自身的安全性;二、桥上行驶车辆的安全性。随着现代经济和交通运输的迅速发展,国内外已经和正在建造越来越多的大跨度桥梁。在我国铁路网的建设和高速铁路的快速发展直接促进了大跨桥梁建设的繁荣,目前已经建成的大跨铁路大跨度桥梁有:武汉天兴洲长江大桥[1],全长1092m,主跨长1066m;香港青马大桥,全长2160m,主跨1377m;沪通长江大桥,主跨长1008m等。这些大跨度桥梁一般用于跨越较宽的江河或者海峡,由于其所处的自然环境等因素,常常遭受强风等自然灾害的影响,同时由于大跨度桥梁自身结构轻柔,对横向风和车辆的作用比较敏感,横向风、车辆和桥梁三者的相互作用在一定程度上降低了车辆行驶的平稳性和安全性。另外,对于大跨度桥梁的桥塔,其沿桥跨方向的长度可达到十几米甚至几十米,如天兴洲大桥桥塔宽达14m,因此在侧风环境下列车进出桥塔区域时,由于桥塔的遮挡作用,车体所受到的风荷载会发生变化,这种风荷载突变效应会引起车辆运动状态及桥梁动力响应的改变,对车辆的走行性和舒适性都是不利的,尤其是当风速较大,列车高速通过桥塔区域时,这种影响的效应就更加显著。目前关于强风作用下桥塔遮风效应对车辆走行安全性和舒适性及桥梁动力响应的影响的研究较少,尤其对于铁路桥梁,列车通过桥塔区域时的风-车-桥耦合振动的问题研究的更少。因此,必须对横风作用下,列车进出桥塔这一典型工况进行分析研究,确保运行中列车的安全性和乘坐舒适性及桥梁能够正常工作。
 1.2车桥耦合振动研究近几十年来,随着高速铁路的出现和大跨度桥梁的发展,对于车桥动力相互作用问题的研究已经成为桥梁振动领域中一个重要的课题。1.平面模型和空间模型在车桥系统耦合振动研究中,如果仅研究系统的竖向振动,一般采用二维分析模型;如果需要研究系统的横向振动或者空间振动,则需要建立空间模型。2.车辆模型转向架:①独立转向架,对于独立转向架,一般不用考虑列车模型车辆之间车钩的藕联作用;②铰接转向架,对于铰接转向架,列车模型的各车辆之间通过转向架藕联,机车仍釆用独立转向架。1.3风-车-桥系统研究1.3.1风致桥梁振动作用在车桥系统上的风荷载由平均风和脉动风两部分组成,在自然风场中,平均风和脉动风都会对大跨度桥梁的使用性能产生不利影响:平均风作用在桥塔、主缆、吊索、桥面、桥墩等结构物上,会导致桥梁产生较大的横向和竖向变形,尤其是桥面的大变形,将导致轨道弯曲半径过小,影响行车安全;脉动风作用在桥跨结构上,直接引起桥梁的低频振动,将导致桥跨失稳破坏及疲劳破坏,影响桥上行车的安全性。在桥梁风振分析中,由平均风所引起的静风力对桥梁的作用可以方便地根据风洞试验测得的阻力系数并通过系统的静力平衡方程确定,所以在桥梁的一般风振分析中,可以仅考虑紊流风的作用。
 2风-车-桥系统动力分析模型
 风荷载作用下列车-桥梁系统的动力响应分析是一个复杂的课题,由于列车在桥梁上运行位置的不断变化从而使得该系统的振动具有时变特性,一般在时域内进行分析,因此,建立风-车-桥动力系统分析模型,釆用计算机模拟的方法对风荷载作用下的列车与桥梁这个复杂的时变系统进行动力分析和计算,是解决风-车-桥动力体系安全性分析的重要手段。
 2.1风-车-桥系统动力分析模型2.1.1车辆模型车辆模型是由机车和车辆组成的列车,每节车都是由车体、转向架、轮对以及弹簧阻尼悬挂装置组成的复杂多自由度振动系统,在车辆动力学中,常将这种复杂的振动分解为若干基本振动型式的组合[5]。1.车辆振动的基本形式在分析中,把车体和转向架看作刚体,车体的空间位置由三个通过车体重心o点的相互垂直的坐标轴,即X、y、z来确定,车体具有6个方向的自由度,见图2.1。车体的振动包括3个坐标轴方向时平移振动和3个绕坐标轴方向的回转振动,共有六种振动型式。
 3桥塔遮风效应理论分析...............333.1桥塔遮风效应对车体受力影响...............333.2本章小结...............424桥梁自振特性分析...............434.1桥梁工程背景...............434.2计算模型...............454.3桥梁自振特性分析...............464.4本章小结...............495桥塔遮风效应对车辆和桥梁动力响应的影响...............515.1计算条件及计算参数...............515.2列车振动性能评判标准...............575.3车桥动力响应分析...............575.4本章小结...............66结论
 本文通过建立风-车-桥系统动力分析模型,并釆用计算机模拟的方法,分析了在风荷载作用下列车通过大跨度悬索桥时桥塔遮风效应对车辆和桥梁动力响应的影响,现将主要研究结论总结如下:1.在风荷载和列车荷载作用下,桥梁的横向位移和扭转位移主要由风荷载决定,竖向位移主要由列车荷载决定。对于桥塔遮风效应,其对桥梁动力响应的影响很小。2.车辆通过桥塔区域时,车辆所受的风荷载要先急剧减小再急剧增大的变化过程,这种风荷载的变化效应导致了车体的各项动力响应发生了明显变化,当风速越大,车速越快时,车体的动力响应变化越明显;当风速较小、车速较慢时,这种变化会相应地减小,即说明当风速一定时,桥塔遮风效应对车辆的影响会随着车速的提高而增大;当车速一定时,桥塔遮风效应的影响随着风速的提高而增大。3.桥塔的遮风效应对车辆动力响应的影响会因桥塔宽度的不同而有差异,在一定范围内,这种影响会随着桥塔宽度的增大而加强,当桥塔宽度较大时,遮风效应对车辆动力响应造成的影响也越大。4.当风速较大,车速较快时,车辆高速通过桥塔区域时,桥塔遮风效应可能造成车体动力响应值过大乃至超过限制,从而影响列车运行的安全性,因此在风-车-桥耦合振动分析中要考虑桥塔遮风效应对车桥动力响应的影响,以确保列车行车的安全性。
 参考文献:[1]郭薇激.风荷载作用下大跨度桥梁的动力响应及行车安全性分析[D].北京交通大学,2004[2]夏禾,徐幼麟,阎全胜.大跨度悬索桥在风与列车荷载同时作用下的动力响应分析[J].铁道学报.2002, Vol. 24(4):83-91[3]李永乐,廖海黎,强士中.考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析[J].空气动力学报.2005,Vol.23(2) :228-232曹雪芹.桥梁结构动力分析[M].北京:中国铁道出版社,1987[5]夏禾.车辆与结构动力相互作用[M].北京:科学出版社,2005李乔.车桥耦合振动分析的数值方法[J].重庆交通学院学报,1999,Vol.18(3)陈政清.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社,2005G.Diana,F.Cheli, Dynamic Interaction of Railway Systems with Large Bridges[I]. VehicleSystem Dynamics, 1989,18(1):71-106郭向荣,曾庆元.京沪高速铁路南京长江斜拉桥方案行车临界风速分析[J].铁道学报,2001,23(3): 75-80葛玉梅,周述华,李安龙.斜拉桥在考虑风荷载效应时的车-桥耦合振动.成都:西南交通大学学报.2001,Vol. 36(4)