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京津铁路桥的车桥耦合振动研究

作　者: 邹岩
导　师: 刘习军
学　校: 天津大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 高速铁路车桥耦合桥梁结构有限单元法非线性动力响应
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动,而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动,这就是车桥耦合振动问题。随着现代列车速度的不断提高,桥梁结构在铁路线路中的大量使用,高速铁路车桥耦合振动问题的研究变得越来越重要。因此,车桥动力学问题也越来越受到学术界关注,有必要对列车过桥的车桥耦合振动问题进行分析。本文在对国内外车桥动力相互作用问题的发展历史和研究现状进行综述的基础上,将车桥耦合系统分解成车辆、桥梁和轮轨三个子系统,组建了车桥耦合空间三维动力学计算模型。编制了计算程序,并研究了高速铁路车桥耦合系统的动力响应。首先,针对车辆子系统,将车体、转向架、轮对简化为刚体,建立了车辆空间振动分析模型。针对桥梁子系统,利用有限单元方法,建立了桥梁动力分析模型。然后,用三角级数法模拟了德国低干扰轨道不平顺谱。其次,针对轮轨子系统,详细介绍了轮轨接触几何关系,分析了轮轨接触几何非线性因素对车桥耦合系统轮轨力的影响。在求解轮轨间的相互作用力时,用蠕滑理论求解轮轨切向力,用迭代法来求解轮轨法向力。最后,阐述了车桥之间的几何相容条件和力学平衡关系。再次,用轮轨力连接车辆和桥梁两个子系统,并采用分离迭代法求解车辆和桥梁的动力学方程组。给出了求解车桥振动微分方程组的数值方法——Newmark-β法。编制了车—桥动力分析程序并介绍了程序具体实现过程。最后,对京津高速铁路天津新开路大桥进行了车桥耦合动力响应分析。并研究了列车速度、列车长度、轨道不平顺、双线通车、横风作用、货车开行等多种因素对车桥系统耦合振动的影响。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 引言  8
  1.2 世界高速铁路的发展  8-9
  1.3 高速铁路桥梁的特点  9-10
  1.4 车桥耦合振动问题的研究现状  10-12
  1.5 本文研究工作的主要内容  12-13
第二章车桥耦合计算模型的建立  13-21
  2.1 引言  13
  2.2 车辆多刚体模型的建立  13-16
    2.2.1 车辆物理模型的确立  13-14
    2.2.2 车辆运动方程的建立  14
    2.2.3 车辆的力学特性矩阵  14-16
  2.3 桥梁有限元模型的建立  16-19
    2.3.1 桥梁结构单元的选取  16-17
    2.3.2 空间梁单元的有限元分析  17-19
    2.3.3 桥梁有限元动力学方程的建立  19
  2.4 轨道不平顺  19-20
    2.4.1 轨道不平顺的介绍  19-20
    2.4.2 轨道不平顺的数值模拟  20
  2.5 本章小结  20-21
第三章车桥耦合中的轮轨相互作用关系  21-29
  3.1 引言  21
  3.2 轮轨接触几何关系  21-24
    3.2.1 我国标准车轮踏面和相应的钢轨横截面  21-22
    3.2.2 轮轨接触几何非线性分析  22-24
  3.3 轮轨接触模型的建立  24-27
    3.3.1 轮轨切向蠕滑力的计算  24-25
    3.3.2 轮轨法向力的迭代求解  25-27
  3.4 车—桥系统的耦合关系  27-28
    3.4.1 车—桥几何相容条件  27-28
    3.4.2 车—桥力学平衡条件  28
  3.5 本章小结  28-29
第四章车桥耦合振动方程组的建立与求解  29-34
  4.1 引言  29
  4.2 车桥耦合方程组的建立  29-30
  4.3 车桥耦合系统求解的数值积分方法  30-31
  4.4 程序设计部分介绍  31-33
  4.5 本章小结  33-34
第五章高速铁路车桥耦合系统的动力响应分析  34-69
  5.1 引言  34
  5.2 桥梁结构概况  34-39
    5.2.1 桥梁模型的选取  34-36
    5.2.2 桥梁结构的动力特性分析  36-39
  5.3 京津高铁天津新开路大桥的车桥动力分析  39-43
  5.4 不同工况条件下车桥耦合系统的动力响应分析  43-68
    5.4.1 列车运行速度对车桥耦合系统动力响应的影响  43-48
    5.4.2 列车长度对车桥耦合系统动力响应的影响  48-52
    5.4.3 随机不平顺对车桥耦合系统动力响应的影响  52-56
    5.4.4 双线通车对车桥耦合系统动力响应的影响  56-60
    5.4.5 横风作用对车桥耦合系统动力响应的影响  60-64
    5.4.6 货车开行对车桥耦合系统动力响应的影响  64-68
  5.5 本章小结  68-69
第六章全文总结与工作展望  69-71
  6.1 本文研究工作总结  69-70
  6.2 本文研究工作展望  70-71
参考文献  71-74
发表论文和参加科研情况说明  74-75
致谢  75

京津铁路桥的车桥耦合振动研究

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