橋梁振動(dòng)論文綜述列車-橋梁系統(tǒng)共振研究現(xiàn)狀及預(yù)防系統(tǒng)共振的措施與手段

1、綜述列車-橋梁系統(tǒng)共振研究現(xiàn)狀及預(yù)防系統(tǒng)共振的措施與手段摘要: 對(duì)國(guó)內(nèi)外車橋耦合振動(dòng)問(wèn)題的研究歷史進(jìn)行了回顧，評(píng)述了車橋報(bào)合振動(dòng)間題的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展。并對(duì)車橋藕合振動(dòng)問(wèn)題普遍存在的難點(diǎn)或進(jìn)一步需要研究的方向進(jìn)行了概括。以及分析了預(yù)防高速列車-橋梁系統(tǒng)共振的措施與手段。一、列車-橋梁系統(tǒng)共振研究現(xiàn)狀1 背景和意義列車通過(guò)橋梁時(shí)將引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng), 而橋梁的振動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響車輛的振動(dòng), 這種相互作用、相互影響的問(wèn)題就是車輛與橋梁之間的振動(dòng)禍合問(wèn)題。自從1 8 2 5 年有了第一條鐵路, 人類就開(kāi)始了列車與橋梁相互作用的研究。在二十世紀(jì)60 年代以前, 對(duì)于鐵路橋梁振動(dòng)的研究主要集中在簡(jiǎn)單移動(dòng)

2、荷載作用下的解析方法。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和有限元法的應(yīng)用, 使得建立復(fù)雜的列車橋梁分析模型成為可能, 從而使該方面的研究達(dá)到一個(gè)全新的起點(diǎn)。多年來(lái)列車橋梁振動(dòng)的研究表明了這一問(wèn)題的復(fù)雜性和困難性。隨著高速鐵路在世界各國(guó)的廣泛修建和我國(guó)鐵路的幾次提速, 列車高速過(guò)橋引起橋梁振動(dòng)與低速情況有很大不同, 因此, 車橋動(dòng)力分析問(wèn)題也越來(lái)越吸引更多橋梁界人士的關(guān)注。2 車橋振動(dòng)問(wèn)題的研究概況2.1 車橋振動(dòng)的研究現(xiàn)狀50 年代有限元法問(wèn)世以來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)在工程中的廣泛應(yīng)用，車橋系統(tǒng)動(dòng)力仿真研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 從車橋系統(tǒng)的學(xué)模型、激勵(lì)源的模擬到研究方法和計(jì)算手段等都有了質(zhì)的飛躍。人們可以建立比較真實(shí)的車

3、輛和橋梁計(jì)算模型, 然后用數(shù)值模擬法計(jì)算車輛和橋梁系統(tǒng)的藕合振動(dòng)影響。美國(guó)、日本、歐洲和國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者為車橋系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展做出了重要貢，在車輛模型、橋梁模型以及車橋系統(tǒng)禍合振動(dòng)上取得了不少進(jìn)展。2.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀6 0 、7 0 年代, 日本在修建本四聯(lián)絡(luò)線時(shí), 對(duì)車橋振動(dòng)響應(yīng)做了大量的理論研究、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。他們?cè)诶碚摲治黾澳Ｐ驮囼?yàn)中考慮了蒸汽機(jī)車錘擊、車輛彈簧、車輛運(yùn)動(dòng)特性以及多種軌道不平順的影響, 得出了計(jì)算橋梁動(dòng)力沖擊系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式。同時(shí), 通過(guò)分析輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)和車體加速度來(lái)研究列車走行性, 通過(guò)確定橋梁撓度和軌道折角的允許限值來(lái)保證列車的

4、舒適性與安全性要求, 并對(duì)橋梁的豎向、橫向剛度做出了相應(yīng)的規(guī)定。歐洲的法國(guó)、意大利、丹麥等國(guó)研究者也進(jìn)行了類似的甚至更深人的研究工作。G.Di an a 等對(duì)車一軌及車橋系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行了大量的研究,并建立了響應(yīng)的模型, 同時(shí)考慮了建立在支撐物之上的車輛一軌道模型, 這對(duì)研究車一線一橋系統(tǒng)的動(dòng)力特性具有一定的借鑒意義; G r e e n 和Ceb o n 提出了在頻域內(nèi)求解分離的車橋系統(tǒng)方程的新方法, 他們利用模態(tài)脈沖響應(yīng)函數(shù)與模態(tài)激擾力, 采用模態(tài)迭加法并結(jié)合F FT 和IFFT 技術(shù)來(lái)求解橋梁的動(dòng)力響應(yīng):Y eo n g-Bi n Y a n g 采用動(dòng)態(tài)凝聚法求解車橋系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)

5、題, 由于將所有與車體有關(guān)的自由度在單元級(jí)進(jìn)行凝聚, 使得計(jì)算效率大為提高; B o g a e rt 采用簡(jiǎn)化的車輛模型, 研究高速列車通過(guò)肋式拱橋的豎向振動(dòng)沖擊效應(yīng), 并給出了沖擊系數(shù)的簡(jiǎn)化表達(dá)式。2.3 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀在理論上, 我國(guó)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作,目前, 隨著我國(guó)高速鐵路可行性研究工作的進(jìn)行, 對(duì)這一課題又進(jìn)行了深化研究, 以適應(yīng)高速運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需要。李喬教授等對(duì)高速鐵路曲線梁橋的車橋振動(dòng)進(jìn)行了深人研究。提出了基于激勵(lì)非線性振動(dòng)的一種逐步積分法閉, 在計(jì)算中應(yīng)用了求解非線性振動(dòng)的N e w m ar k 預(yù)測(cè)一校正法, 即在每一時(shí)段里預(yù)測(cè)橋梁的位移、速度、加速度和車橋系統(tǒng)的藕

6、合力, 此時(shí)車橋系統(tǒng)的位移條件是協(xié)調(diào)的, 以此作為迭代的開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算, 從而減少了迭代次數(shù), 他們針對(duì)4 軸客車建立了35 個(gè)自由度(車體、轉(zhuǎn)向架和4 個(gè)輪對(duì)各5 個(gè)自由度)的車輛曲線橋梁模型, 研究了曲線半徑、曲線超高等因素對(duì)車橋動(dòng)力響應(yīng)的影響, 對(duì)高速鐵路中小跨度曲線橋梁的剛度限值提出了建議。北方交通大學(xué)夏禾教授、閻貴平教授等研究了考慮車一橋一墩一基礎(chǔ)相互作用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠性問(wèn)題、橋梁結(jié)構(gòu)在多種隨機(jī)荷載作用下車橋系統(tǒng)動(dòng)力可靠性問(wèn)題、脈動(dòng)風(fēng)與列車荷載同時(shí)作用下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題, 分析了地展荷載對(duì)橋上列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響, 得到了許多有價(jià)值的結(jié)論。上海鐵道學(xué)院曹雪琴教授等對(duì)鋼析梁橋的車激

7、橫向振動(dòng)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析, 得到許多有價(jià)值的研究成果。二、預(yù)防高速列車-橋梁系統(tǒng)共振的措施與手段列車過(guò)橋時(shí)，由于橋梁所受的荷載(即輪軌力)是隨時(shí)間呈周期性變化，因此，在某特定車速下特別是較高車速時(shí)橋梁可能發(fā)生共振。共振時(shí)橋梁將產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，可能影響列車的運(yùn)行安全性、乘坐舒適性以及橋梁自身的使用壽命，故研究如何利用控制裝置來(lái)有效降低橋梁的共振響應(yīng)就顯得十分重要。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)由于在結(jié)構(gòu)、體積和安裝上的方便性，在橋梁抗風(fēng)、抗地震方面應(yīng)用較多，而將其用于控制車輛引起的橋梁振動(dòng)研究還不多。根據(jù)我參考的TMD 對(duì)高速列車通過(guò)簡(jiǎn)支箱梁橋時(shí)可以將車輛-橋梁-TMD 視為整體系統(tǒng)，橋

8、梁采用有限單元模擬，高速列車、TMD 均采用由彈簧阻尼器相連的多剛體模擬，提出一種易于計(jì)算機(jī)實(shí)施的方法，直接建立車-橋-TMD 時(shí)變系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，采用數(shù)值積分方法求解系統(tǒng)空間動(dòng)力響應(yīng)，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。以在德國(guó)ICE3 高速列車作用下的某變截面40m 簡(jiǎn)支箱梁為例，分別采用兩種優(yōu)化準(zhǔn)則，根據(jù)橋梁基礎(chǔ)頻率和振型確定TMD 參數(shù)，研究了TMD 對(duì)共振車速下橋梁豎向振動(dòng)的控制效果研究了用TM D 抑制鐵路橋梁的豎向共振, 結(jié)果表明是很有效的。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法有主動(dòng)控制和被動(dòng)控制之分, 由于主動(dòng)控制中有許多問(wèn)題尚未解決, 所以一般采用被動(dòng)控制。結(jié)構(gòu)共振控制的原理無(wú)非是如何修改結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼、剛度

9、或外力。但由于橋梁強(qiáng)度、變形條件、行車條件的限制, 改變橋梁質(zhì)量、剛度或外力未必總是可能的。TMD 是解決這一難題的方法之一, 不附加太多質(zhì)量而能增加結(jié)構(gòu)阻尼。T MD 是1909 年由Fr ahm 發(fā)明的一種吸振器, 它具有經(jīng)濟(jì)、方便、抑制窄帶振動(dòng)效果顯著的優(yōu)點(diǎn), 幾十年來(lái)在機(jī)械、土木、航空航天、船舶、化工工程等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。其原理是把T MD ( 包括質(zhì)量塊、并聯(lián)的彈簧和阻尼器) 連接到主結(jié)構(gòu)上, 通過(guò)慣性質(zhì)量與主結(jié)構(gòu)控制振型諧振將主結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)移到TMD, 從而抑制主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。其有效性依靠于準(zhǔn)確調(diào)頻。它用于橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于可以耗散橋梁的振動(dòng)能量而又不需與大地連接。經(jīng)對(duì)TMD-車橋系統(tǒng)進(jìn)行分析, 研究結(jié)果表明應(yīng)用T MD 后, 在特定頻率范圍內(nèi)的激勵(lì)下橋梁振幅大大減小。參考文獻(xiàn)：1滿洪高，袁向榮.車橋藕合振動(dòng)問(wèn)題的發(fā)展進(jìn)程與研究現(xiàn)狀.鐵道工程學(xué)報(bào)，2001，6.2木標(biāo)，李建中，梁志廣. 高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋的豎向共振現(xiàn)象J.工程力學(xué)，2001，10：84-94.3楊宜謙，張鍛.用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器抑制鐵路橋梁豎向共振的研究