車-線-橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)分析

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1、1.1.2車－橋耦合振動(dòng)理論的發(fā)展歷程隨著高速鐵路的發(fā)展，列車運(yùn)行速度大幅度提高，各種動(dòng)力作用急劇上升，車橋振動(dòng)響應(yīng)加強(qiáng)。由于列車與軌道相互作用，列車運(yùn)行激起各車輛及軌道的復(fù)雜振動(dòng)，實(shí)踐證明，在不利條件下，車橋振動(dòng)可能引起翻車、車輪脫軌、貨物破壞、司機(jī)旅客不適應(yīng)等現(xiàn)象。因此，對(duì)列車與橋梁相互作用的耦合系統(tǒng)進(jìn)行空間振動(dòng)分析，找出引發(fā)這些現(xiàn)象的條件，保證列車安全正常運(yùn)行，就成為我國(guó)高速鐵路建設(shè)中需著重研究的主要課題。關(guān)于鐵路橋梁在列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)研究已有一百多年的歷史，基本上經(jīng)歷了從古典理論向現(xiàn)代理論

2、轉(zhuǎn)化的過(guò)程。在車輛移動(dòng)荷載作用下，橋梁將產(chǎn)生振動(dòng)，沖擊等動(dòng)力效應(yīng)，如何從理論上確定移動(dòng)車輛荷載下公路和鐵路橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，一直為工程界所關(guān)注。研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力特性始于1844年法國(guó)和英國(guó)對(duì)Britannua橋進(jìn)行的模型試驗(yàn)。自1849年R.Wiuis開(kāi)始從理論及試驗(yàn)上研究橋梁的振動(dòng)問(wèn)題以來(lái)，橋梁車輛振動(dòng)研究不斷發(fā)展，各種理論體系不斷涌現(xiàn)，尤其是隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，橋梁車輛振動(dòng)的研究更加接近于真實(shí)情況。目前，隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，橋梁的跨度越來(lái)越大而重量卻越來(lái)越輕，大荷載高車速的火車

3、通過(guò)橋梁時(shí)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用問(wèn)題更為突出[1-4]。1、古典理論：在20世紀(jì)中，人們對(duì)車橋共振問(wèn)題作了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)弄清車橋共振機(jī)理，揭示激勵(lì)的原因和車橋共振的特點(diǎn)都有了較為深入的了解，并且具有一定的實(shí)踐價(jià)值。然而，由于客觀計(jì)算條件的限制，這些研究只能對(duì)簡(jiǎn)化的橋梁和車輛模型進(jìn)行近似的定性分析，主要采用解析的計(jì)算方法，我們一般稱其為車橋振動(dòng)的古典理論。盡管對(duì)梁的動(dòng)力分析早有了成熟的算法，但由于受到計(jì)算手段的限制，在20世紀(jì)40年代之前的理論研究中不得不采用種種近似方法，建立十分簡(jiǎn)單的橋梁和車

4、輛系統(tǒng)分析模型。下圖說(shuō)明了車橋系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)相互作用分析模型的演變歷史，其中梁的模型都是彈性的連續(xù)體，不同的是移動(dòng)荷載的簡(jiǎn)化形式：3圖1-1(a)是最早的模型，它只能考慮移動(dòng)的不變力的荷載。圖1-1(b)模型考慮了力的變化，如諧振力或沖擊力等荷載。圖1-1(c)模型的荷載考慮了移動(dòng)的質(zhì)量，即考慮了質(zhì)量的慣性力。圖1-1(d)模型用彈簧和阻尼器將簧上和簧下兩個(gè)質(zhì)量聯(lián)系在一起，可以同時(shí)考慮兩個(gè)質(zhì)量的慣性力及其相互作用。圖1-1(e)模型已經(jīng)是比較現(xiàn)代的模型，簧上質(zhì)量同時(shí)考慮了平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)慣性力，可以較

5、好地模擬一個(gè)二軸車或轉(zhuǎn)向架的豎向振動(dòng)。但此簡(jiǎn)化方法仍然具有很大的局限性，由此產(chǎn)生的分析計(jì)算結(jié)果能夠得到車橋動(dòng)力響應(yīng)某些方面的大概趨向，但不能全面地反映實(shí)際情況。圖1-1車橋耦合振動(dòng)模型從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，車橋動(dòng)力相互作用分析的研究突破了傳統(tǒng)框架，進(jìn)入了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究階段，如圖1-1（f）所示。這種模型可分析橋梁的豎向動(dòng)力學(xué)特性，其中有限元法作為一種通用方法起了很重要的作用，但由于沒(méi)有考慮體系的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，無(wú)法反映車體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀況。2、現(xiàn)代方法：實(shí)際上，由于實(shí)際橋梁和車輛耦合振動(dòng)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性

6、，并且車型和橋型又種類繁多，以及引起振動(dòng)的各種激振源的隨機(jī)性，古典理論顯然不能全面合理的模擬車橋耦合振動(dòng)問(wèn)題。直到二十世紀(jì)六、七十年代以來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及有限元技術(shù)的發(fā)展，使的車橋耦合振動(dòng)的研究有了飛速的進(jìn)步。人們可以建立比較真實(shí)的車輛和橋梁的空間計(jì)算模型，然后用有限元數(shù)值模擬法計(jì)4算車輛和橋梁系統(tǒng)的耦合振動(dòng)效應(yīng)。3、發(fā)展現(xiàn)狀：現(xiàn)代車橋共振研究可以更精確地考慮橋梁模型、車輛模型以及它們之間的耦合振動(dòng)。對(duì)于引起激勵(lì)的路面不平，車輛加速和制動(dòng)減速效應(yīng)等復(fù)雜的隨機(jī)因素都進(jìn)行了一些研究。除了簡(jiǎn)支

7、梁橋之外，對(duì)連續(xù)梁橋、懸索橋、斜拉橋等也進(jìn)行了一些理論分析和試驗(yàn)研究。到目前為止，人們對(duì)簡(jiǎn)支梁橋的車橋共振問(wèn)題的理論和實(shí)驗(yàn)研究己經(jīng)比較系統(tǒng)化。對(duì)其他某些橋型，像連續(xù)梁橋、懸索橋、圬工拱橋，也有一定程度的研究成果。1.1.2車－橋耦合振動(dòng)的分析方法1.2.1車－橋耦合振動(dòng)的分析模型的建立目前常用的幾種車—橋耦合振動(dòng)分析模型都是由列車與橋梁結(jié)構(gòu)組成的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)。各種模型建模時(shí)在以下六個(gè)方面有不同的考慮：1、平面模型和空間模型僅研究系統(tǒng)的豎向振動(dòng)時(shí)，采用平面的二維分析模型即可；而研究系統(tǒng)的橫向振動(dòng)

8、或空間振動(dòng)時(shí)，則必須采用空間分析模型。2、車輛模型轉(zhuǎn)向架形式：（1）獨(dú)立轉(zhuǎn)向架，世界各國(guó)大部分普通鐵路和高速鐵路的車輛都裝備獨(dú)立式轉(zhuǎn)向架，列車模型一般不考慮車輛之間車鉤的耦聯(lián)作用；（2）鉸接式轉(zhuǎn)向架，法國(guó)的TGV及韓國(guó)的高速列車裝備鉸接式轉(zhuǎn)向架，列車模型為各車輛通過(guò)轉(zhuǎn)向架耦聯(lián)的鉸接車組，但機(jī)車仍為獨(dú)立式轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架懸掛體系：貨車一般采用一系彈簧懸掛裝置；機(jī)車和客車則采用二系彈簧懸掛裝置。車輛阻尼：車輛減振器的阻尼有很多種，現(xiàn)在的模型一般采用粘滯阻尼，這主要是為了理論上求解的方便。