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考虑列车纵向作用的高架车站动力分析

作　者: 程潜
导　师: 夏禾
学　校: 北京交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 车桥耦合高架车站动力分析制动系统制动力动力测试数值计算梁轨相互作用车辆—轨道—桥梁系统
分类号: TU311.3
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

摘要：随着国民经济日益增长的需求,铁路建设得到了快速发展,其中车站的建设规模越来越大,高架车站这种立体化的结构形式也得到越来越多的采用,在交通的高效组织和城市建设中扮演重要的角色。与此同时,这种新型的车站结构也会带来一些新的问题。列车通过高架车站以及在车站内频繁地制动或起动时,会引起列车和高架车站结构之间的动力相互作用,这种动力作用对结构的安全性和乘客及站内工作人员的舒适性产生影响。本文在车桥耦合振动理论的基础上,研究了高速铁路高架车站结构在车辆激励下的振动响应这一振动工程研究领域的前沿课题。通过建立列车一高架车站耦合系统三维动力分析模型,实现列车高速通过车站和在车站内制动或起动时的全过程动力仿真分析,对列车荷载在高架车站内传递规律进行研究,并对高架车站结构在列车荷载作用下的振动安全性和使用舒适度以及列车高速通过车站结构时的运行安全性和平稳性进行振动评价。主要的研究内容和创新点包括：(1)对高速铁路及高架车站的发展进行了综述,总结了高架车站的结构形式及特点、振动问题及研究内容。重点对车桥耦合振动、高架车站动力分析和列车纵向动力作用研究现状进行了总结,指出目前高架车站振动和列车纵向作用研究中的不足之处。(2)在以前列车纵向分析的传统单质点分析模型和纵向多质点模型基础上,建立高速动车组的纵向动力分析模型。基于此高速动车组的纵向分析模型,通过我国CRH2型200km/h动车组按7级常用制动在线路上制动停车的算例,计算得到作用于轨面的列车制动力时程。同时,研究了列车制动时对桥梁的纵向动力作用,通过建立考虑梁轨纵向相互作用的车辆—轨道—桥梁系统纵向动力分析模型,以典型国产高速列车制动时通过铺设无缝钢轨的十跨高墩简支梁桥作为算例,求解高速列车制动时车辆—轨道—桥梁系统的纵向动力响应。并与我国桥涵设计规范中关于列车制动附加力对桥梁结构静力作用的计算结果进行比较分析。(3)建立了考虑列车纵向作用的高速列车—高架车站系统动力分析模型,其中车辆子系统以多刚体动力学建立三维动力分析模型,推导考虑纵向自由度的车辆运动方程。车站结构子系统通过有限元建模,两者通过纵向、垂向和横向轮轨关系假定联系起来,由此建立的系统方程通过全过程迭代法求解。其中车辆—结构耦合关系是系统动力分析的关键,主要介绍了轮轨垂向和纵向密贴假定,横向的简化的Kaller线性蠕滑理论或蛇形波假定。而数值求解方法是研究的难点,主要介绍了全过程迭代法的计算流程及其与以往计算方法的区别和优势。(4)对列车在高架车站内制动进站和起动出站时车站结构的关键部位进行动力测试,分析列车的制动和起动对车站结构的振动影响,同时也为高架车站的动力仿真计算分析提供试验验证。并且进一步对车站结构的使用舒适性和安全性进行评价,并研究判别车站使用舒适性和安全性的初步标准。(5)以第3章介绍的高速列车—高架车站动力分析基本理论为基础,以南京南站为算例,计算分析南京南站在不同列车不同的运行状态下的动力响应特征,并结合第四章南京南站的动力测试,对比制动工况下的计算结果和实测结果。最后对列车和高架车站结构的振动舒适性进行评价。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第1章绪论  14-44
  1.1 研究背景  14-27
    1.1.1 高速铁路和高架车站的发展  14-24
    1.1.2 高架车站的结构类型和特点  24-27
  1.2 高架车站的振动研究问题  27-30
  1.3 车辆和结构耦合振动研究现状  30-38
    1.3.1 车桥耦合振动研究现状  30-36
    1.3.2 高架车站振动研究现状  36-38
  1.4 车辆的纵向动力作用研究现状  38-41
  1.5 本文主要研究内容  41-43
  1.6 本章小结  43-44
第2章列车对结构的纵向动力作用分析  44-72
  2.1 列车制动力  44-49
    2.1.1 空气制动力  45-48
    2.1.2 电制动力  48-49
  2.2 列车纵向动力分析方法  49-60
    2.2.1 传统单质点分析模型  49
    2.2.2 多质点分析模型及运动方程  49-53
    2.2.3 高速列车纵向动力分析模型  53-58
    2.2.4 高速列车纵向动力计算实例  58-60
  2.3 高速列车制动对桥梁结构的纵向动力分析  60-70
    2.3.1 车辆模型  61
    2.3.2 梁轨纵向相互作用及轨道—桥梁模型  61-63
    2.3.3 计算实例  63-68
    2.3.4 与静力计算的对比分析  68-70
  2.4 本章小结  70-72
第3章高速列车—高架车站系统三维动力分析模型  72-108
  3.1 车辆子系统  72-79
    3.1.1 车辆模型假定  72-73
    3.1.2 车辆子系统运动方程  73-79
  3.2 车站结构子系统  79-81
  3.3 车辆与结构耦合关系  81-91
    3.3.1 轮轨垂向密贴假定  81-82
    3.3.2 轮轨切向蠕滑理论的简化形式  82-87
    3.3.3 轮对蛇形波假定  87-90
    3.3.4 轮轨纵向关系假定  90-91
  3.4 轨道不平顺  91-96
    3.4.1 轨道不平顺的描述  91-92
    3.4.2 典型轨道谱  92-95
    3.4.3 轨道不平顺的数值模拟  95-96
  3.5 系统动力方程的建立和求解  96-105
    3.5.1 车辆—结构耦合系统动力方程  96-98
    3.5.2 系统耦合动力方程的求解  98-105
  3.6 本章小结  105-108
第4章高速铁路高架车站的动力测试及振动评价  108-146
  4.1 工程背景  108-110
  4.2 试验概况  110-113
    4.2.1 试验目的  110-111
    4.2.2 试验仪器  111-112
    4.2.3 试验测点布置  112-113
    4.2.4 试验工况  113
  4.3 试验结果分析  113-121
    4.3.1 加速度时程  113-119
    4.3.2 加速度最大值分析  119-121
  4.4 车站结构的舒适度评价  121-134
    4.4.1 振动的参量及评价指标  122-124
    4.4.2 建筑结构舒适度评价标准  124-131
    4.4.3 高架车站的舒适度评价  131-134
  4.5 车站结构的振动安全性评价  134-144
    4.5.1 建筑结构振动安全性评价标准  134-140
    4.5.2 高架车站的振动安全性评价  140-144
  4.6 本章小结  144-146
第5章高速铁路高架车站的动力计算实例  146-178
  5.1 计算条件  146-154
    5.1.1 车站结构  146-147
    5.1.2 车辆参数  147-151
    5.1.3 轨道不平顺  151-152
    5.1.4 计算工况  152-154
  5.2 高速列车—高架车站动力计算结果及分析  154-171
    5.2.1 高架车站结构的动力特性  154-156
    5.2.2 列车通过时车辆-车站结构的动力响应分析  156-166
    5.2.3 列车制动时车辆-车站结构的动力响应分析  166-169
    5.2.4 动力计算结果与动力测试结果的对比验证  169-171
  5.3 列车和车站结构的振动评价  171-175
    5.3.1 列车运行安全性和平稳性评价  171-175
    5.3.2 车站结构舒适度评价  175
  5.4 本章小结  175-178
第6章结论与展望  178-184
  6.1 论文的研究工作及结论  178-180
  6.2 论文的主要创新点  180-181
  6.3 进一步研究工作展望  181-184
参考文献  184-194
作者简历  194-198
学位论文数据集  198

考虑列车纵向作用的高架车站动力分析

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