车-线-桥系统耦合振动分析

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1、1.1.2车－桥耦合振动理论的发展历程随着高速铁路的发展，列车运行速度大幅度提高，各种动力作用急剧上升，车桥振动响应加强。由于列车与轨道相互作用，列车运行激起各车辆及轨道的复杂振动，实践证明，在不利条件下，车桥振动可能引起翻车、车轮脱轨、货物破坏、司机旅客不适应等现象。因此，对列车与桥梁相互作用的耦合系统进行空间振动分析，找出引发这些现象的条件，保证列车安全正常运行，就成为我国高速铁路建设中需着重研究的主要课题。关于铁路桥梁在列车通过时的振动研究已有一百多年的历史，基本上经历了从古典理论向现代理论

2、转化的过程。在车辆移动荷载作用下，桥梁将产生振动，冲击等动力效应，如何从理论上确定移动车辆荷载下公路和铁路桥梁的动力响应，一直为工程界所关注。研究结构在动荷载作用下的动力特性始于1844年法国和英国对Britannua桥进行的模型试验。自1849年R.Wiuis开始从理论及试验上研究桥梁的振动问题以来，桥梁车辆振动研究不断发展，各种理论体系不断涌现，尤其是随着计算机的广泛应用，桥梁车辆振动的研究更加接近于真实情况。目前，随着交通事业的迅猛发展，桥梁的跨度越来越大而重量却越来越轻，大荷载高车速的火车

3、通过桥梁时对桥梁的动力作用问题更为突出[1-4]。1、古典理论：在20世纪中，人们对车桥共振问题作了大量的理论和实验研究，对弄清车桥共振机理，揭示激励的原因和车桥共振的特点都有了较为深入的了解，并且具有一定的实践价值。然而，由于客观计算条件的限制，这些研究只能对简化的桥梁和车辆模型进行近似的定性分析，主要采用解析的计算方法，我们一般称其为车桥振动的古典理论。尽管对梁的动力分析早有了成熟的算法，但由于受到计算手段的限制，在20世纪40年代之前的理论研究中不得不采用种种近似方法，建立十分简单的桥梁和车

4、辆系统分析模型。下图说明了车桥系统动力系统相互作用分析模型的演变历史，其中梁的模型都是弹性的连续体，不同的是移动荷载的简化形式：3图1-1(a)是最早的模型，它只能考虑移动的不变力的荷载。图1-1(b)模型考虑了力的变化，如谐振力或冲击力等荷载。图1-1(c)模型的荷载考虑了移动的质量，即考虑了质量的惯性力。图1-1(d)模型用弹簧和阻尼器将簧上和簧下两个质量联系在一起，可以同时考虑两个质量的惯性力及其相互作用。图1-1(e)模型已经是比较现代的模型，簧上质量同时考虑了平动和转动两个惯性力，可以较

5、好地模拟一个二轴车或转向架的竖向振动。但此简化方法仍然具有很大的局限性，由此产生的分析计算结果能够得到车桥动力响应某些方面的大概趋向，但不能全面地反映实际情况。图1-1车桥耦合振动模型从20世纪70年代开始，车桥动力相互作用分析的研究突破了传统框架，进入了系统动力学研究阶段，如图1-1（f）所示。这种模型可分析桥梁的竖向动力学特性，其中有限元法作为一种通用方法起了很重要的作用，但由于没有考虑体系的扭转效应，无法反映车体复杂的运动状况。2、现代方法：实际上，由于实际桥梁和车辆耦合振动系统本身的复杂性

6、，并且车型和桥型又种类繁多，以及引起振动的各种激振源的随机性，古典理论显然不能全面合理的模拟车桥耦合振动问题。直到二十世纪六、七十年代以来，随着电子计算机的应用以及有限元技术的发展，使的车桥耦合振动的研究有了飞速的进步。人们可以建立比较真实的车辆和桥梁的空间计算模型，然后用有限元数值模拟法计4算车辆和桥梁系统的耦合振动效应。3、发展现状：现代车桥共振研究可以更精确地考虑桥梁模型、车辆模型以及它们之间的耦合振动。对于引起激励的路面不平，车辆加速和制动减速效应等复杂的随机因素都进行了一些研究。除了简支

7、梁桥之外，对连续梁桥、悬索桥、斜拉桥等也进行了一些理论分析和试验研究。到目前为止，人们对简支梁桥的车桥共振问题的理论和实验研究己经比较系统化。对其他某些桥型，像连续梁桥、悬索桥、圬工拱桥，也有一定程度的研究成果。1.1.2车－桥耦合振动的分析方法1.2.1车－桥耦合振动的分析模型的建立目前常用的几种车—桥耦合振动分析模型都是由列车与桥梁结构组成的多自由度振动系统。各种模型建模时在以下六个方面有不同的考虑：1、平面模型和空间模型仅研究系统的竖向振动时，采用平面的二维分析模型即可；而研究系统的横向振动

8、或空间振动时，则必须采用空间分析模型。2、车辆模型转向架形式：（1）独立转向架，世界各国大部分普通铁路和高速铁路的车辆都装备独立式转向架，列车模型一般不考虑车辆之间车钩的耦联作用；（2）铰接式转向架，法国的TGV及韩国的高速列车装备铰接式转向架，列车模型为各车辆通过转向架耦联的铰接车组，但机车仍为独立式转向架。转向架悬挂体系：货车一般采用一系弹簧悬挂装置；机车和客车则采用二系弹簧悬挂装置。车辆阻尼：车辆减振器的阻尼有很多种，现在的模型一般采用粘滞阻尼，这主要是为了理论上求解的方便。