考虑徐变影响的车-线-桥耦合有限元分析.pdf

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1、第34卷，第6期中国铁道科学Vo1．34NO．620l3年l1月CHINARAILWAYSCIENCENovember，2013文章编号：1001—4632(2013)06—0013—08考虑徐变影响的车一线一桥耦合有限元分析杨宏印，张海龙，陈志军，曹鸿猷(华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074)摘要：采用Hertz弹性接触模型，推导考虑轨道不平顺的移动车轮一轨道一桥梁耦合单元动力方程，结合车辆动力方程建立车一线一桥耦合系统运动方程，采用自动半步长方法以精确确定轮轨接触状态发生改变的时刻，使用Newmark-[3方法直接积分求解。将预应力混凝土简支箱梁桥徐变变形引入轨

2、道不平顺(徐变不平顺)，研究其对车一线一桥耦合系统动力响应的影响。结果表明，轨道对徐变变形产生的折角具有明显的缓和作用，能显著降低轮轨接触力和轨道加速度响应；徐变不平顺会引起明显的梁端冲击，显著增加系统的动力响应；采取延长半年铺轨的措施能达到较好的动力控制效果，且对车体加速度的控制效果最明显，响应降低约42；多跨简支梁桥的周期性徐变不平顺能激起车体更强烈的固有频率振动，同时也表现出波长为梁长一半的受迫振动；不考虑徐变不平顺时相应的敏感波长等于梁长。关键词：车一线一桥耦合振动；徐变；轨道不平顺；动力控制；共振中图分类号：U211．5：TU311．3文献标识码：Adoi：10．3969

3、／j．issn．1001—4632．2013．06．03现有铁路线路大量使用预应力混凝土桥梁，受针对徐变引起的不平顺问题，本文基于Hertz混凝土收缩、徐变、预应力损失等因素影响，其后弹性接触理论，推导考虑轨道不平顺和轮轨脱离的期变形是不可避免的E。高速铁路为保证轨道正移动车轮一轨道一桥梁耦合单元动力方程，并结合常几何形状的可调整量很小。文献[3]对大跨铁车辆方程建立车一线一桥耦合系统竖向振动有限元路桥梁徐变变形进行了研究，得到了其分布规律，方程，将徐变变形引入轨道不平顺，研究徐变不平并提出了相应的变形控制措施，但没有进行其对动顺对车一线一桥耦合系统动力响应的影响。力控制效果分析。

4、桥梁徐变会引起线路变形r4]，对轨道竖向不平顺产生明显的影响，进而影响车一线1车一线一桥耦合系统动力方程一桥耦合系统动力响应。文献[5—6]提出将结构徐变变形引入轨道不平顺，以分析其对车一桥耦合1．1考虑轨道不平顺的车轮一轨道一桥梁耦合系统的影响，但没有考虑线路结构的影响。文献单元E7-]指出线路具有缓和结构变形折角的作用。文献耦合系统包含列车、轨道和桥梁3个子系统，[8]通过分析已有线路测量数据，指出多跨简支梁并通过轮轨关系和桥轨关系实现各子系统的耦合。桥徐变会引起线路周期性变形，需要对车辆进行这图1为针对无砟轨道线路的车一线一桥耦合系统模种不平顺下的动力学校核。型。将无砟轨道考

5、虑为连续弹性支承梁轨道模型，图1车一线一桥耦合系统模型(单位：m)收稿日期：2013—03—07；修订日期：2013—07～16基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078164)作者简介：杨宏印(1986一)，男，湖北荆门人，博士研究生。14中国铁道科学第34卷rZ并采用平面Euler_Bernoulli梁模拟轨道和桥梁。F—IL厂rb(-z，￡)dx(4)车辆采用2系悬挂4轴模型，共有1o个自由度，J0式中：，和分别为桥梁单元的质量、阻即车体和每个转向架有沉浮和点头2个自由度，每尼和刚度矩阵；为桥梁单元节点位移向量；个轮对只有沉浮1个自由度。将结构离散得到考虑为桥梁单元节点荷

6、载向量；(z，￡)为轨道传给桥各耦合关系和轨道不平顺的移动车轮一轨道一桥梁梁的分布力。耦合单元，如图2所示。轨道传给桥梁的分布力可表示为(Lz，)一一志rh(一Yh)一Crb(一Yb)(5)式中：志小和分别为轨道桥梁问等效刚度和阻尼；Y和Y分别为轨道和桥梁的位移。轨道和桥梁位移可分别表示为图2移动车轮一轨道一桥梁耦合单元Y一Ⅳq；(6)Yb—Nq(7)将式(5)和式(6)代入式(4)，整理可得Mq+(+c)+(K+K)一c西；一酶=(8)r其中，一一krblN'rNd~．√0r一一crhlⅣrNd：cJ0式中：和为轨道和桥梁耦合的刚度矩阵；和c为轨道和桥梁耦合的阻尼矩阵。同理可得图

7、2所示轨道单元动力方程为q；+(+)口；+(+b)一口一一一肥Fi(9)，式中：，G和分别为轨道单元的质量、阻尼和刚度矩阵；为轨道单元节点位移向量。将式(1)一式(3)代人式(9)可得口；+(+)q；+(++)g；一qE一qt～aikHY一FN一(一3(手)+2(手)。，z(一手)，(10)其中，酥一ai愚H畦一3(手)一2(手)。，z((手)一手))F===aikHr(x)：式中：K为由轮轨接触而产生的轨道附加刚度矩阵；F为由轮轨接触而产生的轨道附加荷载向量。车轮由