桥梁附加变形对高速列车运行安全影响的研究

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1、桥梁附加变形对高速列车运行安全影响的研究-->第一章绪论1.1.研究背景1.1.1.世界高速铁路发展概述从20世纪50年代开始，汽车工业在北美和欧洲蓬勃发展，配合着高速公路的修建使得公路交通逐渐融入到人们的生活中成为人们日常出行的首选交通方式，20世纪60年代，大型民航飞机的出现，以其无可争议的速度优势进一步挤压传统铁路交通的生存空间，使得人们一度以为曾经为人们带来20世纪文明曙光的铁路交通即将成为夕阳产业，然而日本新干线的成功燃起了人们对铁路交通新的热情，改变了世界铁路的发展进程，世界高速铁路建设至此拉开了序幕。时至今日，高

2、速铁路己经作为一种高效、经济、环保的运输工具，在许多国家得到了广泛的重视与发展。为了解决日本铁路交通大动脉东海道线运输能力日益不足的问题，1964年10月1日，世界第一条高速铁路一一日本东海道新干线开通，列车最高运营速度到达了210km/h，远远超过了当时德、法铁路技术强国160km/h的最高运营速度，代表了当时世界最高的高速铁路技术水平，同时也标志着世界铁路事业跨入了一个新的时代。日本高速列车釆用的是动力分散式的牵引方式，由于当时乃至现在世界上的铁路列车大多均采用动力集中式的牵引方式，使得这种列车在当时显得十分另类。与动力分

3、散式列车相比，动力集中式列车具有动力装置少，车辆维护工作量小，价格相对低廉等优势，但动力集中式列车却有机车轴重大的问题。受制于日本松软的地质条件，难以修建能够承受这种大轴重机车的高速铁路线路，因此日本高速列车只能选择轴重较小的动力分散式的牵引方式。这在直流电机牵引时代实属无奈之举，直到后来交流电机牵引技术的成熟才使得动力分散式列车的优势进一步凸显出来。目前，日本运营中的新干线全部是新建线路，客运专用，具体见表1.1法国在进行高速列车研发时，综合分析了日本新干线列车的优缺点，例如列车受电弓“受流不良”就是列车运营中所面临的一个严

4、重问题，为了解决该问题法国曾尝试使用燃气轮机牵引高速列车，并在1969至1972年间成功研制出了ETG、RTG和TGV001试验列车。然而，1973年的第一次世界石油危机促使法国放弃了这种牵引方式而转向电气化牵引，并于1976年开始研制TGV-PSE动力集中式高速列车，该型高速列车1981年在TGV东南线上成功投入运营，初始最高运营速度就达到了260km/h，并于1983年提速到270km/h。高速铁路线的幵通，为法国经济发展带来了预期的促进效果，同时使得法国在轮轨列车技术方面一直保持较高的优势，并于2007年创造了目前世界上

5、轮轨列车的最高实验速度574.8km/h。目前，法国运营中的TGV高速铁路由新建线路和改造后的既有线组成，客运专用。1.2.车辆-桥梁稱合振动问题概述随着桥梁跨度的增大，车辆速度的提高，桥梁振动问题日益突出。桥梁作为交通网络中的关键节点，其振动不仅关系到交通网络的正常运作，也关系到灾后救援工作能否顺利展开，因此桥梁振动问题逐渐引起人们的关注。桥梁振动的种类很多，按照引起桥梁振动的原因，大体可以分为两大类：第一类是由于外力作用产生的振动，如风荷载、地震以及船舶、车辆、漂流物等撞击；第二类是桥梁在正常运营中系统自身产生的振动，如车

6、辆荷载或人群荷载，具体如图1.3所示[9]。在正常运营中，第二类桥梁振动是不可避免的，它是车辆-桥梁稱合振动或人群-桥梁稱合振动研究的基本问题。对于铁路桥梁，第二类振动有时会与第一类振动同时发生，使问题变得更加复杂，如风荷载作用下的车辆-桥梁稱合振动。高速列车的行车安全性、平稳性和乘车舒适性更易受到轨道不平顺的影响，其对高速铁路线路的平顺性、稳定性和可靠性有着更高的要求。高速铁路桥梁做为轨道的下部结构，其在各种荷载激励下的动力响应都会不同程度的影响到桥上线路的平顺性和稳定性，进而影响桥上列车的运行安全和乘座舒适性，振动过大时甚

7、至会导致桥梁的破坏，因此高速列车-桥梁耦合振动分析越来越受到重视。为了提高铁路运输企业的竞争力，铁路车辆的发展呈现高速和轻量化的趋势，车辆轻量化将导致车体刚度降低，因此在进行车辆-桥梁动力相互作用分析或者研究桥梁附加变形对列车系统动力响应的影响时，需要考虑车体柔性对车辆?桥梁系统动力响应的影响。然而，在第1.2.1小节中介绍的研究中，均把车体视为刚体，忽略了车体柔性的影响。一些学者则将柔性车体车辆模型引入车辆-桥梁动力相互作用系统中，从而在进行车辆-桥梁动力分析时能够考虑车体柔性的影响。李奇等[78]在ANSYS中利用空间梁单

8、元模拟车体以考虑车体的柔性，而轮对和转向架依然按照刚体考虑，建立了车辆的3D有限元模型，利用振型叠加法描述车辆的运动，研究了车辆-桥梁的动力相互作用。王英杰、王辉等将车体简化为一根勾质欧拉梁，转向架和轮对视为刚体，建立了2D车辆模型，利用自由边界欧拉梁的前N阶振型描述车体的运