高速列车通过高架桥式车站时站台结构振动特性研究（可编辑）.doc

冢父通欠举岁拿京交戤挚硕士学位论文高速列车通过高架桥式车站时站台结构振动特性研究 作者:王铁导师:魏庆一期教授北京交通大学学位论文版权使用授权堆学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检索,提供阅览服务,外采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和碰箍。保密的学位论文在解密后适用奉授权兑明学位论文作肯签名 导师签名幻、签字期:格引四:加,年月中创分类号: 学校代码:密级:公开北京交通大学硕士学位论文高速列车通过高架桥式车站时立台结构振动特性研究作者姓名:二铁 学 号:职 称:教授导师姓名:魏庆朝学位级别:硕二学位类别:工学学科专业:道路与铁道工程 研究办向:线路勘测设计理沦与技术北京交通大学致谢时光荏苒,转眼间两年的光阴匆匆而逝。在我的研究生生活即将结束,我也即将迈出单纯、宁静的校园,不如广阔的社会生活当中去。两年的研究生生活,给我留下了太多太多的回忆,我们在这罩共同努力、奋斗、欢乐、哭泣,一路有我的老师、同学陪我走过,觉得从未孤单过。多想再聆听老师们的谆谆救诲:多想在跟谍题组的同门们挑灯夜战。交大你足我一生难以割舍的眷恋。首先要感谢我的导师魏庆朝教授。两年的学习生活,魏老师亲切和蔼的性格、严谨的学术态度无不影响到我,促使我在学习上不断前进。本论文的选题、构思在魏老川的悉心点拨下得以顺利进行,使我明确了研究的内容及方向,在此衷心感谢魏老师肘我学习匕和生活中的悉心指导和亲切关怀其次感酣时瑾老师,在论文撰写过程中,时老师岜给予我很多切实可行的建议.使我的论文得以顺利进行下去。在论文的撰写过程中,闫松涛、赵磊、郑方恻、龚前卫、间晓伟等各位师兄师姐及史龙龙、程慧、牛莉、程奕龙、成泉、戈伟、谷旱朋、邱余帅、汤超等同学都给予了我大力的支持和帮助,在此向他们致以我山衷的谢意和感激之情迁要感谢我的父亲和母亲,他们无微不至的爱一直温暖若我,正是他们的理解与关爱使我能够专心完成学业。感谢他们这么多年束对我学业的支持,是他们鼓励我小断向更商的目标迈进最后,感谢各位老师在百忙之小对我沦文的审阅和批评指导中文摘要中文摘要摘要:基于目前我国高速铁路和铁路高架客站的不断发展的情况,高速列车的通过对车站结构本身的安全性以及站内的旅客及工作人员所产生的舒适性影响成为一个越柬越值得研究的问题,国内外学者也对此问韪进行了一定的研究,但高架桥式车站的研究相对于车桥动力方面研究较少,对于高架车站的研究主要表现在大型乍站的候车厅的研究,而针对高架桥式车站这种小型车站的站台结构振动特性的研究时仍然很少。本文通过通过建立列车 高架桥式车站站台结构体系模型对高架桥式车站的站台结构主要做了以研究:高架桥式车站站台结构的振动是因为轨道结构和轨道梁体的振动所传递而产,所以首先对轨道结构祁轨道梁结构的动力特性进行分析,得出列车在不同速度通过卜的变化规律。列车以/时速通过高架桥式车站时,行车舰站台梁的中日跨在沿线路纵向和沿线路横向的振动特性变化规律研究。列车以/时速通过商架桥式车站时,行车侧与非行车侧站台粱中问跨的振动特性对比分析。列车以/时速通过高架桥式车站时,行车侧跨站台梁整体沿线路纵向的振动特性变化规律的研究。分别计算列车在蚍,、/、/以及/叫速通过高架桥式车站时,行车删站台结构中跨跨中节点的振动特性变化规律。关键词:高速铁蹄;高架桥式年站;站台结构振动特性分类号: ?, , ? , :, ,/,巾,/ , /,/、/./;: ; ;:目录目录中文摘要汝目采绪论高速铁路发展概况世界高速铁路发展概况中国高速铁路发展概况铁路客站发展概况铁路客站发展铁路高架客站形式介绍车辆与结构相瓦作用的研究综述早期的车辆结构研究.车辆结构研究现状研究目的及研究意义研究内容及研究方法有限元理论及车辆结构竖横向作用理论分析有限元理论介绍.数值积分方法.车辆一高架车站竖横向相互作用分析. 车辆模型动力方程.车站结构模型动力方程轮轨接触模型.车辆一结构动力平衡方程组. 本章小结列车 高架桥式车站站台耦合动力分析模型的建立模型结构选取模型单元及参数的选取. 有限元模型单元选取模型各部分参数的选取.拟分析车站实际结构形式介绍.模型的建立北京交通大学硕士学位论文.车辆有限元模型建立. 桥梁有限元模型建立.轨道结构有限元模型建立 . 高架桥式车站结构模型建立. 列车一高架桥式车站耦合动力学模型建立.本章小结列车一高架桥式车站站台结构系统动力计算高架桥式车站轨道结构及轨道粱结构动力计算及分析板式无碛轨道及轨道粱结构动力计算结果板式无碴轨道及轨道梁结构动力响应变化规律分析列车 高架桥式车站站台结构体系耦合动力计算列车以/时述通过时行车侧站台中跨跨点计算结果列车以时速通过时非行车侧站台巾跨跨巾点汁算结果:.列车以/时速通过时行车侧站台中跨跨中点计算结果列车以/时速通过时行车侧站台中跨跨点计算结果.列车以/时速通过时行车侧站台中跨跨点计算结果列车以/时速通过时行车侧站台中跨跨叫点计算结果.本章小结 列车一高架桥式车站站台结构系统动力特性分析高架桥武车站结构模态分析模态分析原理模态分析列车高架桥式车站站台结构系统动力特性分析列车通过时行车侧站台中日跨振动特性分析列通过时行车侧与非行车侧站台振动特性对比分析列车通过时行车侧站台整体振动特性分析列车以不同速度通过高架桥式车站时站台结构振动特性分析.本章小结 结论与展望 研究结论 .展望 参考文献 作者简历一?独创性声明学位论文数据集?绪论高速铁路发展概况高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念。年月,联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车晟高运行速度规定为客运专线 /,客货混线/。年欧盟在/号指令中对高速铁路的最新定义是:存新建高速专用线运行时速至少达到 的铁路可称作高速铁路?。铁路联盟认为,母个国家也可以根据本国国情来舰定本困高速铁路应当达到的璺求,既有线提速改造的铁路如果速度能够达到 /及以时,办可称之为高速铁路。高速铁路是集合了各项世界上晟先进的铁路技术、最为先进的运营管理组织方式、以及资金筹措和市场营销在内的一个十分复杂的系统工程,:且高速铁路具有分商效率的运营管理体系.它主要包含有机车午辆配置、基:设施建设、乍站运营管理舰则等技术与管理。广义的高速铁路坯包台了使磁悬浮技术的高速轨道运输系统吼世界高速铁路发展概况为了提高列车的运行速度,使铁蹄行业更加适应社会发展,从本世纪衲至年代,德国、法国、同本等国家都丌展了大量的关于高速列的理论研究工作和试验工作。征年月 ,德国运用电动乍首先刨造了试验速度达到的历止纪录:在年月 ,法国运用了二台电力机车牵引了三辆客将试验速度政写为 /,刷新了世界的高速铁路最高速度的记录。同本充分利用了德国、法幽等国家的高速列车试验经验, 片依靠自身的科技力量, 在年成功的建成了世界上的第条高速铁路即本的东海道新干线线路起于东京止于大阪,全兆.公早,时速选到/,并研制了“系”的高速列车。东海道新干线以它的快速、安全、舒适、准时、运输能力大、节省能源和地资源以及环境污染轻等优势赢得了政府和公众的强烈支持和热烈欢迎。自从年投入运营,到年便开始盈利,至年就收回了全部投资。第条高速铁路的问世,使一度被人们认为“夕阳产业”的铁路,出现了机,显示出强大生命力,预示着“铁路第二个大时代”的来临。从而引发了世界北京交通大学硕士学伉论文高速铁路建设的三次高潮口】。第一次建设高潮年至年高速铁路的发展丌始于年。在此期间建设并投入运营的高速铁路主要有法国的大西洋线、东南线:阿本的东海道、东北、山刚和上越新干线;德国的汉诺威至威尔茨堡线意与大利的罗马至佛罗伦萨线。同本在此期间建成了覆盖全国的高度铁路网的主体结构。第一二次建设高潮世纪年代初上【纪的乍代,欧洲形成了高速铁路的第次建设高潮。年,西班牙引进德、法国的技术建成了总为的马德罩一塞维利亚高速铁路。年,连接英法阿固的英吉利海峡隧道顺利贯通,这是世界上第一条高速铁路的固际联接线。年,从始发站位于巴黎的“欧洲之星”又将法国、荷兰、德国和比利时连接在一起。第三次建设高潮世纪年代中期年月.德田柏林柑丌丁第三次世界高速铁路大会,美田的教授作了篇报告高速地耐交通系统的全球化和普及,他将目前高速铁路的发展称作为世界高速铁路发艘的第三次建设浪潮。这次高潮波及到北美、亚洲、澳洲以及整个欧洲大陆,在交通领域中形成了铁路行业场复兴运动。自年以束,韩国、俄罗斯、诞国、我国台湾省等固家和地区先后刀:始了对高速铁路新线的建设。与此同时,为了保持和欧洲高速铁路网建设的傲生,欧洲东部和中部的匈牙利、波兰、罗马尼亚、奥地利以及希腊等国家的铁路建设;全面提速,开始了对铁路干线的改造。中国高速铁路发展概况我国自年出现笫条铁路以来已经多年了。遗瞄的是百余年来,无从数量上坯是从质量卜来讲我国的铁路事业,都远远落后很多于国家。同其他国家的铁路发展相比较,我国的铁路无论是在运输效率、运营早程,还是装备质量、技术水准等方面均相差极远,分令人担忧。出于改革丌放多年来,我国的困民经济不断保持高速的发展,这使得铁路交通运输常常无法满足巨大的需求,这使得我国铁路失业一度沦落“瓶颈”产业。发展高速铁路不仪适合我园国情,而且是我国铁路走向复兴的需要与选择。在年完成第次铁路大提速后,我国边进了高速铁路时代。不过,由于起步较晚,国内原有高速铁路的发展规模和时速已经不适应国民经济的发展需求。为此?在中长期铁路网规年调整巾将加大快速客运网络的建设规模绪皓作为重点内容之一,国内目前除了秦沈和广深客运专线是早年建设的准高速铁路外,其他客运专线含城际轨道变通基本都属于高速铁路。随着京沪高速铁路的全而开工建设,迎束了我国高速铁路建设的新时代。,长期铁路网规划年调整提出的加快客运线建设包括“四纵四横”等客运专线以驶经济发达和人口稠密地区的域际客运系统,到年,客运万调整为 月以上,客车时速目标值不专线及城际铁路建设目标由低于。未柬年内.我幽将迎来新一轮高速铁路建设高潮。中长期铁路。网舰划年调整建设目标调整情况见表袁 中删铁路网规划年调整建设目怀调粘情况凋杜时间 全管营运客运专线建设 凋牲内择里样 里程南.万 山 万公里 将深、喻人、沪杭吼汉宦、蚌、航、柳南、公里嗣至 谰至 万公 绵成乐和哈齐等,牟主童争线列入阶段目标,【快完善.万公里 坐 永部地区蹄刚布局以及健进阳部人开发等万公里 万公理 时述为坩路段长馊为时谜为的路段度为,时还修建多庠铁路新客站,垫本建成咀凹纵凹横为目架的全国快速弃耋阿,形成以北京为中心剑全国再省会城市卜小时交通旧/ 由盯公 由 万公里 城际拜运系统由江船洲、环渤海目殊,角洲里酾至 润至 盯公不断辐射至瞳株潭、成议城闰、天巾城镇群、中万公里以 里以 原城群、成渝以及海峡曲城镇群地区除此之外,广州至南宁、广州至贵阳、成都至兰卅等重要省会之间或重大城市之州,随着经济规模的扩大和客运需求的增加,都将陆续修建时述不低于的高速的客运号线或城际铁路。预计到年,中吲建设时速不低于铁路早程将超过 打,占世界高速铁路总罩程的一半以上。铁路客站发展概况铁路窖站伴随着客运铁路的诞,而发展的。多年以米,随着铁路客运的发北京交通学硕十学位论文展,人们对铁路客站的认识也在不断的变化。铁路客运车站随着经济社会的不断发展,以及城市和交通的发展进步而变迁,主要经历了三个主要的发展时期。铁路客站发展因外铁路发展历程铁路客站最早出现在工业革命后期的欧洲,随着经济社会的不断发展,以及城市和交通的进步而发展变迁,铁路客站经历了三个主要发展时期。占媳主义时期世纪术到世纪忉,这个叫期的铁路客站,以其庞大的体型、精美奢华的维多利亚式装饰风格为特色,体现了当时整个资本主义对铁路客运的信心,这个时删的客站具有高一诌质、大容鳍等特征,并且许多客站至今仍然大量沿用。现代主义时期世纪. 战之后的西方随着古典主义建筑潮流的逐步被现代主义肛【格取代,铁路客站改以往舰模大、装饰奢华的格,向着简洁实用的方向发展。铁路复兴时期世纪年代,由于全球性的能源危机和同盏突出的环境污染问题以及高速铁路行业的不断进步发展,铁路运输显现巨大的优势,铁路又一次迎柬崭新的发展形式,随之许多结构新颖的铁路客站应运而生。这一时期的铁路客站的驶计和建设更加注重跟其他交通方式的相互衔接和融合.同时更加突出了以人为本的服务功能更加注重竹能、环保和可持续发展的要求.并且具有更加鲜明的城市属性。我国铁路客站发展历程新中国成立之酣的铁路客站这一时我国所期建成的客站形式基本上是照搬当时西方国家的客站形式,但在规模和数量上都远远无法跟当时的西方国家客站相比。从历史的角度看,这一时期客站的建设为将来的新中幽的铁路客站的发展奠定了良好基础。建国之后至改革开放之前的铁路客站这一时期,我国铁路运量并不大.城市交通也不十分发达,客站的功能相对单一,程式化的流线前,局。建筑造型在首先考虑节约的前提下,追求注重有一定的纪念意义,强调作为城市大门象征。改革丌故至大规模铁路建设前的铁路客站【这时期我园随着改革开放已经开始逐步走出围门、丌阔眼界,客站建设中开始更多的参考发达国家的设计,引进国外客站在设计和建设中的的理念与形式。绪论由于受当时改革丌放和我国经济发展程度的客观限制,虽然取得了一些实用创新的成功经验,但出于生搬硬套,也取得了不少教训。当前的铁路客站发展趋势目自口我国客运专线车站的设计与建设,充分的反映了我国当代铁路客运站的设计和建设所发生的巨大变革铁路客站己由传统的较单一的铁路站点转变成为城市的综合客运业务的换乘中心。新时期的铁路客站在朝着“综台客站”的目标发展.铁路客站建设创新理念主要包括“先进性、功能性、系统性、经济性、文化陛”于身的。综合客站是未柬铁路客站的发展方向,主要表现在其高度的集中化和简捷化。其出若下的空问体系所集成,综台客站集公路、铁路、轻轨、地铁为一体并采用联合运营方式,并配有相关的保障设施,形成运作高效、联系紧密的综合交通体系。采川旅客“零换朵”的最新理念.方便旅客在最短的路径和时州,在客站内完成站内的备种交通工具的相互转换。在保证客站建筑使用性的时.“以人为本”和“可持续发展”是其建世原则,充分考虑人类活动的方式和特点,并在建筑中体现人文特色和对历史的传承。为旅客提供更为人性化的服务设施,营造一个宽敞舒适的候车空问,实现旅客山被管理者到被服务者的角色转变。“一体化设计”是综合客站要求实现的目标,综合客站通过与城市的一体化建设,更加紧密了客站与城市功能之间联系,实现了相互之削在空训和形态卜的桂互融台与渗透。北京南站站房 .铁路高架客站形式介绍匕京交通大学硕士学位论文高架车站顾名思义就是车站位于地面以上.列车并非运行干高架车站的底部而是上部。【与传统的地面车站相比较,配合高架线路,高架车站能显著降低建筑占地面积,并且与地面轨道交通系统相比,高架轨道交通的建设成本更低,施工周期更短。然而高架车站电有其局限性和不足之处,一方面是结构的振动与噪声问题,另方面则是高架建筑与周围景观相互协响的问题。本文主要就高架车站站台的振动问题进行研究。高架车站的形式总体上可分为两种类型:桥梁建筑分离型和桥粱建筑合型。常见桥粱、框架结合体系主要有以下三种具体彤式:桥建分离型结构体系、框架结构体系以及桥建合型的桥梁结构体系,如图 所示。桥建分离方案的受力比较明确,传力比较简洁,桥梁与建筑也有各自行业的吲家规范,目备部分的结构设十与计算方法均比较定型;但桥与建分离体系需要增加网,这切断了框架结构的纵向与横向酰系,并削弱了结构的艇体性。而桥建结合方案将轿墩作为房屋框架结构的一部分,这使得框架的纵梁和横梁对桥墩均起到了约束的作心.有利于减小桥墩的计算高度,同时杜网简单,降低了建筑标高和线路标高,节省了大量的工程造价:但是桥建结合缺乏统一的规范与标准,在没计叫必颁采用不同的规范对不同形式的构件进行结构计算,汁算过程也比较复杂。在实际的工作叶,我们成该根据车站所需功能的要求、工程地质条件和城市规划等综合因素进行考虑后再做决策。框架体系为桥建结合方案图,高架站的形式为:先形成空问框架结构,然后在其上再形成连续板粱。 般情况下,这种结构的动力稳定性相比桥梁结构而吉要差,因此它振动控制成为了结构分析和设计时考虑的关键问题之一。桥梁体系属于桥建结台方案图 ,其形式为:先形成桥梁结构基础、梁、柱,然后在其上再开霄站台。桥跨结构的断面形式主要有:形粱、箱粱、槽彤梁和板梁等,墩牲的结构膨式常有:双柱墩、形墩、形墩和形墩,并且其应具有足够的稳定性和强度,以避免在轨道列车作用下产生大位移。框架、桥粱结合体系均属于桥建分离方案图。其主体结构主要分为两部分:车站建筑与高架桥。他们的受力自成系统,可以有效的防止列车运行时对车站的不利影响,车站建筑的振动和基础的不均匀沉降问题可得到解决。绪论罐一丽一摧絮结王体系 拼难结句体系 挢集.框架台体系幽 :种常址高架个站形 车辆与结构相互作用的研究综述车辆与结构的动力相甄作川是个十分复杂的课题,而且许多影响因素具有随机性质。世界上对浚问题的研究已经有百多年的历史。随着铁路车辆的行车速度不断提高和高速铁路的不断建设,以及城市轻轨的不断兴建,使得乍辆与结构的动力相互作用成为一个越束越关乎结构正常使用和乍辆安全运行的重要问题。【 方面,车辆的高速运行会对所通过的建筑结构产生动力的冲击作用,这将会影响其使用寿命干口工作状态,也不可避免的影响到周围建筑物的使用寿命和工作状态,周围建筑内居民的身心健康和:作心情更会受到影桐;而另一方面.结构所产的振动叉会对运行中的车辆的安全性和平稳性产生影响。因此,对车辆一结构的动力耦合作用进行综合的研究,以便对系统中车辆走行性能、结构墨力学性能以及周围建筑无的反应等做出安全评估和动力分析,以确定它们在各种状态下的使用性是西安全可靠.是城市轻轨、铁路、地铁、公路等交通工程中进行合理的蹬训客的观需求,这些研究对于承受移动荷载的各种交通结构的不断发展具有卜分重要的工程价值和研究意义。早期的车辆结构研究在早期,学者们采用两种不同的方法研究列车引起的结构耦合振动问题:一是试验,二是理论分析。由于小比例的模型试验难以模拟复杂的轮轨系统相互作用关系.车辆结构系统的振动试验需要采用原型试验或现场的实测方法,这样得到的结果能够客观综合地反映桥粱在列车动载作用下的真是工作状况。各国学者此京交通大学硕士学位论文对车辆结构的振动试验做出了大量的贡献,并为理论分析奠定了基础,以下是各国学者主要进行的早期试验:年,美国工程师利用各种机车通过跨钢桁梁和跨钢板梁,通过试验得出了引起桥梁振动主要是由机车的不平衡轮的捶击作用引起的,并在此基础上得出了第一条动力系数曲线。年,共国工程师进行了钢桁梁和跨钢板梁试验,也做了无车厢的两个机车和列车的对比试验,结果发现双火车头单独通过时,其动载作用较大,主要是因为车厢的存在导致了系统的阻尼显著地增加,这具有减振的作用。纪年代中期,前苏联工程师利用盖克尔振动仪对座桥进行了横向振动试验。最后总结出了经验公式:跨度对横向振动所引起的动力系数的变化舰律。年,前苏联作者从对座桥梁进行试验,得到计算桥梁在自由振动下的时两个自振周搏的经验公式.并由此提出了桥梁结构侧向的阻尼会随着跨度增而降低这一上律,并且侧向阻尼远小于竖向阻尼。,】年.美囡科学家进行了座桥梁的第二批试验工作。在对这批试验的结粜进行分析后,提了“临界速度”这概念,并指出当有载桥梁的自振频率与蒸汽机车得转动频率相接近时,桥梁结构会因为共振现象而产生屉大的动力效应。年,美蚓学者再次进行了第三批的大规模车桥动力试验,其中包括内燃机车与燕汽机车的相互对比试验,指出了内燃机车冲击的最大值为蒸汽机车最大值的一%的结论。.年,订搏联工作者在通过试验后提出了在列车通过时桥梁结构水平位移的最大值的计算方法,并指出桥梁结构竖向振幅和横向的不会同时出现,横向振动的最大值出现于列车出桥的前后。年,前苏联科学家又进行了包含座桥在内的试验研究工作,结论得到车辆的摇摆埘期为?右,并会田车速的不断提高而减小,波长在?范内。如果只是停留在试验阶段吧对车辆结构振动的就不能揭示其内在的本质规律.就无法刘指导以后的丁程建殴,也就无法体现科学研究的作用,而且要不断地对不同的桥粱形式进行试验,这样耗资大、周期睦。冈此在进行乍桥祸合振动的研究中通常采取试验和理论分析相互结合的方法,即通过试验所得结果对理论模型的证确性进行验证.再通过验证过的、符合客观规律的模型对车桥耦台振动的进行仿真分析,分析各种不同运营情况下列车和桥梁的安全性,并对结构各个参数对振动的影响进行研究。绪论车辆结构研究现状近几十年以束,随着电子计算机在全球范围内的广泛应用、数值计算方法的迅猛发展以及在高速铁路建设中工程实际的迫切需要,在进行理论研究时已尽可能考虑各种影响因素,使得动力分析模型尽可能的与实际相符。各国学者提出了趋完善的车桥系统动力学分析模型,并以不同的方法导出了各种因素问相互关联的动力方程式,然后按照实际的车辆和桥梁的参数,然后在计算机上根据不同工况进行分析计算,得出了许多宝贵的研究成果。日前的处理方法主要是建立车辆结构的动力学模型,推导运动方程式,编写计算程序,然后按照各种不同的参数进行计算,从而得到车辆与结构的动力学响应,这就是所谓的计算机仿真斤法。这种方法已经在本、法固以及其它欧洲国家的高速铁路桥梁设计取得了广泛的应用。自世纪年代始“?,我国铁路专业的各个科研机构以及高校对车辆桥梁耦合振动的相关理论和应用进行了丰富的科学研究。其中铁道科学研究院、西轷受通大学、北京交通大学、同济犬学和中南大学在车辆一桥梁揣合振动研究为找酬做了巨人贡献,以对备科研单位在乍一桥理沦的主要研究成果逐一作简耍概述。同济人学主要研究年闹济大学的李国囊院士发表了关于悬索桥在列车作用振动响应相关问题的的研究成果,在年他又研究了车辆通过拱桥时的振动问题。?同济大学曹雪琴教授和马坤全、吴定俊、陈晓、凌知民、刘必胜等对桁梁桥的横向振动,简支粱的竖向振动及高墩桥梁的振动问题均进行了大量的实验和分析研究,在其研究的成果上,曾雪琴教授对现有铁路桥粱检定规范做了大量的修订工作。取得了丰富成果 。同济大学的车建中教授和石家庄铁道大学的苏术标分别对桥有城引振频率、乍桥振、墩台状态的评估进行丁相关研究。西南交通大学主要研究西南交通大学的强士中教授、李乔教授、车小珍教授、沈锐利、单德山等【“”对高速铁路曲线梁桥的振动、桁粱桥的空振动、大跨度斜拉桥、高速铁路简支粱桥的振动等都进行了深入的研究。他们将车桥系统整体划分为车辆子系统与桥粱子系统两个子系统,采车辆和桥梁相分离的运动方程式,以车轮与钢轨、桥面之问位移拂调关系作为计算的收敛条件.在单独的时问步长内采用?数值积分方法求解系统动力响应。北京交通大学主要研究北京交通大学的夏禾教授和闽贵平教授等人”在分析桥梁的模型中引入了北京交通大学硕士学位论文模悫综合技术,在分析车桥的振动响应中利用振型叠加法进行计算。并运用该方法对车一粱一墩系统的动力耦合特性进行深入研究,并且建立了考虑轨道不平顺因素情况下,存在横向风荷载作用下的车桥结构体系的动力学分析模型。夏教授的研究生对在考虑肛【荷载和地震等荷载作用下的车桥耦合振动问题进行了较为完备的研究。阎贵平教授对铁路斜拉桥以及钢梁柔拱在地震作用下的动力响应进行了县体的研究分析。铁道科学研究院主要研究铁道部科学研究院的程庆国院:、潘家英带领他们的学生共同对车桥振动中的诸多问题进行了系统的探索研究。他们将轮轨间横向力采用简化的轮轨接触理论进行十算,并且考虑轨道不平顺所产生的影响,分别了建立车辆运动方程组和桥梁的振动方程组,采取假设的轮轨问位移关系联立求解这两个方程,从而汁算车桥得空问振动问题。高芒芒对京沪高速铁路和秦沈客运专线的桥梁进行了系统的仿真分析。张锻研究员及其课题组成员在三大干线的提速试验情况下进行了大量的车桥耦合振动的相关实验工作。目前贴到科学研究的科研人员正依托于丰富资源优势和经验对车桥耦台振动问胚展丌大量的研究“”。.中南大学主要研究中南大学的曾庆元院士和郭向荣教授所主持的车一桥振动研究小组,多年以来始终峰持理论与实践相结合的道路,丌展了一系列关于列车一桥梁的振动研究“”,取得了大量的科研成果。该研究将运行的列车和桥梁结构视作一个整体,按照弹性动力学中系统的总势能值不变的原理和所形成的矩阵“对号入座”原则,建立车桥系统的空间振动矩阵运算方程;将人工蛇行波或实际测试的车辆构架蛇行波作为系统的激振源.汁算车桥系统的时变振动,得出很多全过程的桥梁振动的波形罔弓实测的全过稚波形图达到良好吻合:有关车辆的最火横向摇摆力成果已纳入我国以可靠度理沦为基础的铁路桥涵设计规范四:提出了确定铁路桥梁的横向刚度限值的计算分析方法,得出了钢桁梁的横向刚度限值即容许得最小宽跨比,该研究成果也已纳入我国铁路桥涵设计规范。以上研究均是主要针对车辆和桥梁结构体系的耦合振动问题,但是随着我圈高速铁路以及高速铁路客站的发展,铁路客站的振动问题成为一个越来越受人们关注的问题,这也使得有很多学者丌始了对铁路客站站房结构振动特性的研究。年,温字平提出了种适用于建桥合一型高架车站动力分析的“两步分析法”,但此方法的不足为未考虑桥梁与框架之问的耦合作用。刘枫的硕士学位论文中对城市轨道交通中高架车站的噪声与振动进行了研究【。周涛的其硕士论文中针对高速列车通过时高架车站的振动响应进行了研究,不仅将车辆与结构的耦合作用作为了考虑凼素,还提出了一种切实可行的高效的计算方法啡。乔晓琳的硕士绪论论文中首次采用了等效弹簧刚度的方法,使得轨道梁等效成为分离模型,并考虑了列车在进站和出站时对车站结构产生的制动力和起动力的影响四。研究目的及研究意义基于目甘我国高速铁路和铁路高架客站的不断发展,列车的通过对车站结构本身以及站内的旅客所产生的影响成为一个越来越值得研究的问题,国内外学者也对此问题进行了一定的研究.但研究相对于车桥动力方面研究较少,对于高架侨式半站站台结构振动特性的研究目前尚属于空白。基于目前列车正线在某些车站以一常行驶速度通过车站的情况下,本文通过建立列车一高架桥式车站站台结构体系模型,研究当列车以定速度通过高架桥式铁路客站时客站站台的振动特性。本殳通王尘对每一跨站台箱梁面上分别在横向手纵向选取计算点,首先研究在列车通过情况下站台粱中州跨的振动加速度和位移的变化规律,其次分析站台梁结构整体在横向和纵向的振动加速度和位移的变化规律。本论文研究的意义在于运用动力学理沦研究在列车通过的情况下高架客站站台结构振动特性的分布规律,对结构的安全性设计和旅客在站台内的舒适性合理候车区域的选取有一定的参考价值。研究内容及研究方法随着我幽高速铁路和高架铁路客站的发腱,高架客站的振动问题趋成为一个关注的焦点,本文主要应用动力学仿真软件/建立车辆一桥梁一站台结构体系,研究在列通过情况下,高架桥式车站站台结构的振动特性,本文的毛耍作内容及研究方法如下:笫章:主耍介绍了国内外高铁铁路、高速铁路客站的发展以及国内外关于辆结构相互作用的研究概况。明确本论文的研究内容及研究方法。第,章:本章主要内容对有限元理论、数值积分方法、车辆一高架乍站蛏横向午互作刚分析原理进行介绍。第章:本章主要介绍了动力学模型的发展、跟部分模型单元及相应参数的选取,并且建立了列车一车站耦台动力学模型。第四章:首先运川上一章所建立的模型,计算得到了轨道结构和轨道粱结构的加速度和位移的时程线,:对列车以不同速度通过时轨道结构和轨道梁结构的振动特性的变化规律做了分析。其次通过仿真计算得到了站台结构振动的加速度和位移的时程曲线和峰值。匕京交通大学硕士学位论文第五章:通过上一章计算所得的数据,对站台结构的振动特性分析。主要分析了列车通过时行车侧站台梁结构一跨内的的振动变化规律、行车侧与非行车侧站台振动特性的对比、站台梁结构整体的振动特性变化舰律以及列车以不同速度通过时对站台结构的振动特性的影响。第六章:对上述研究进行总结,总结出本文的工作以及所得的结论。并对后续工作进行展望。有限元理论及中辆结构竖横向作川理论分析有限元理论及车辆结构竖横向作用理论分析有限元理论介绍有限元方法可以分别从数学观点和物理观点两个方面建立公式】。从物理学观点看,有限单元方法就是离散连续的结构体的方法。详细的讲,就是把一个完整结构划分成多个小的部分,每一个小的部分称之为单元,单元的大小和形状是可咀随意选择的,但单元的尺寸是有限小的,而不可以是无限小的,所以称之为有限元法。备单元的连接在相邻的边界点上完成的,既有限元方法把连续的结构体离散化成为只在有限个连接点上有联系的离散化模型.而这些连接点称之为节点。有限元方法通常以节点的广义位移作为未知变量,按照节点的平衡条件建立运动方程式。一般采用位移法建立运动方程式,当然也可以采用力法。在结构动力反应的问题】般采用位移法进行计算。有限元方法足目前比较流行的分析方法之 ,它提供了既方便又可靠的体系理想化的模型,而目对使用计算机分析特别有效。有限单元方法的理想化模型适用于备种结构形式。对于任何结构形式,例如对于连续粱结构,有限单元的理想模型化第一步工作是把结构划分成适当数量的单元。单元的尺寸是任意设定的,它们既可以完全统一尺寸,巴可以完全采用不帽同的尺寸。采用节点的位移作为整体结构的广义坐标。结构的变侈可以利用节点的广义位移,并借助组适当假定的位移函数束进行表示。这些位移函数被称为插值函数,因为这些函数确定了指定的节点位移之的形状【”。原则上,插值函数应该是在内部连续并日节点的位移应满足所带米的几何位移条件的连续曲线。利用有限元方法有如下优点:只要将结构划分为数量适当的单元,即可以引入所需要的待求的任意数量的术知量。因为所选择的位移函数在每一个分段是可以相同的,故可以简化计算。因为每个节点的位移仪能够影响到与其相邻的单元,因此方程式的求解过程被大大的简化五。股来兑,有限单元方法提供了最有效的、用一系列的离散坐标表示任意结构位移的方法。用有限单元法计算结构动力反应的步骤如下:将结构体划分为一系列连续的有限单元,单元的形状、数量及其大小,根北京交通人学硕十学位论文据计算对象的性质及所要求的精确度来决定。划分单元网格的一般准则为:计算精度要求越高,则单元划分越详细。单元的形状、大小可阻是相同的,也可以不同的。一般原则是庵力梯度较大的部分单元的划分需较细。复杂边界条件及其附近的部分,单元划分需要较细。,节点自由度的选择,即节点位移参数的确定。节点的自由度通常指节点的位移,最多包括转角自出度。当然也可以包括更多的选顼,如一阶偏导数、二阶偏导数等。节点的位移是用有限元方法分析结构连续体变化的最基本变量。.根据需要计算的结构连续体的真实变形情况,选择适合单元中备节点位移的函数,即插值函数。选择所需位移插值函数的准则如下:应具有与单元总的自由度数相同的未知常数。能够如实反映单元的刚体位移。每个单元的位移般是由两部分所组成:一是由自身单元变形所引起的位移,称之为变形位移;二.是出其它的相近单元的变形所引起饿华元产生的牵连位移,与这个单元的变形并没有关系,故称之为单元刚体位移。单元刚体位移在单元的位移中通常占据主要部分,因此为了如实反映一个单元的变形特征,必须选择能够如实反应单元的刚体位移的位移插值函数。能够如实反映单元的常应变。 般将单元的应变分成两个部分:一是跟位置嫩标没有关系的”,在单元中各点相同的,称之为常应变;二则是与法单元各点的位置举标有关的,是各点不相同的,称之为高阶应变。在很多情况,常应变占据了主要部分,特别是当单元尺寸很小的时候.单元的应变将接近于其常应变。闻此,为了能够反应单元的变形特征,选取位移插值函数就必须能反应单元的常应变情况。位移插值函数应尽可能的反映位移的连续陛。在连续结构体中,变形是连续的,两相邻单元的位移既不是脱离的,也不是重叠的。为了使单元嶷内部的位移保持连续性,位移插值函数应当是坐标的单值连续函数。为了使相邻单元的位移能够保持连续,不仅需要单元的共用节点上的位移相同,而且在单元的公共边界上的位移也需要一致。这样才能保证相邻单元在受力后既不会相互脱离,也不会相互巫叠,而代替连续弹眭体的离散体仍能够保持其连续弹性变形。因此在我们选择位移插值函数时,应当尽可能使它能够反映出位移变化的连续性。有限元方法的理论和实践都已经证明:为了使得有限元方法的解在单元尺寸逐渐变小时能够精确的收敛,位移插值函数应当具有与单元自由度总数相同的未知常数,并能如实反映单元的刚体位移和单元的常应变是必矍条件,加上能够反映相邻单元间位移变化的连续性,便是其充分条件。.根据位移插值函数以及节点的位移参数,与局部坐标系中的单元所具有的有限元理论及车辆一结构竖横向作州理论分析力学特征进行联立,包括单元的质量矩阵、剐度矩阵、等效节点的作用力向量以披其相互作用关系。根据单元的力学特征形成总结构的力学特征。方法是对每个节点,叠加各个与之相关的单元刚度、质量以及节点力,从而得到整体结构的总刚度矩阵、总质量矩阵及总节点力。建立结构的运动方程并进行求解。数值积分方法结构的有限元计算分析采用数值积分方法。对于有阻尼的结构体系,在建立有限元方程时,结构体系的有限元动力方程为:【】【】【】,方程川】、】和陋】分别代表结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,、以及,分别代表结构中质点在运动中的加速度、速度、位移以及节点倚载向量。?数值积分方法的提出是以线性加速度方法为理论基础的,一方法的应用需要结构的速度和位移用以下的篮分格式表示:一,肛,式中.,卜一,出,十 卢。将式和带八式可得:,“皿,【卜卢 】?,一【,”将式.代八式?和即可以得到在,时刻的速度向量和位移量。?方法的逐步;分格式其实是个积分格式群。其中,、卢在满足,时,它为无条件的稳定自起步格式:当,/时,条件:/莉卢.其计算精度为二阶,否则由于一些与“数值阻尼”和“周期延长”相关的误差其计算精度将降为一阶。当/,/时,将退化为常平均加速度法:当/,卢/时,退化为线性加速度法;/,/时,将速度将变为台阶形变化。车辆一高架车站竖横向相互作用分析车辆以一定速度通过高架桥式车站时,车站结构会受到柬自列车的激励而产北京交通大学硕学位论文生振动。结构的振动同时对于列车来说又是一种激励。因此,列车与车站结构的振动问题是一个二者相互影响,相互耦台的过程。对车辆一高架桥式车站系统动力分析般采用建立列车.高架桥式系统动力分析模型,通过数值仿真的方法进行研究。.车辆模型动力方程研究车辆与结构的相互作用影响时,通常是将车辆系统作为一个整体研究它对建筑结构的动力作用关系。为使得计算分析的过程得以简化,将对单节车辆进行如下的假定:假定列车由若干节相同的独立的车辆所组成,车辆由车体、转向架、轮对以及一系、二系弹簧一阻尼器悬挂系统所组成。假定车辆的车体、转向架和轮对均为剐性体,即不考虑车辆在振动过程中产生的弹性彤变。假定转向架和轮对之剐的“一系悬挂装置”山弹簧一阻尼器进行连接,它由具有特定属性的弹簧和阻尼器单元组成,假定轮对的两边均在横向和竖向备有一个弹簧和阻尼器。假定转向架和车体之间的“二系悬挂装置”山弹簧一阻尼器装置进行连接,它山特定属性的弹簧和阻尼器单元所组成。每个转向架的两边均假设在横向和竖向上各有一个弹簧和阻尼器。车体中的所有弹簧单元均是线弹性的,所有阻尼器单元均是具有粘滞阻尼特性。车体和转向架均只考虑、,、。和,个方向的自山度。根据以上对车辆模型的假定,建立四轴车辆模型进行分析,如图 所示。幽四轴乍辆模型有限元理论及午辆一结构竖横向作理论分析出“基于对车辆模型的假定和如图 的车辆结构模型, 本沦文应削方法建立车辆的运动方程,车辆的运动方程如下:旦塑一塑里望: 、 鼬均式中,、分别为车辆系统运动的总动能、总弹性势能、和阻尼总耗散能量,可由车体、转向架以及轮对的位移、速度和加速度线性的表示。由此即可建立车辆子系统典型的动力方程:肼,并,墨式:,和,分别依次为车辆结构子系统的总体质量矩阵、总体的阻尼矩阵以及系统的总体刚度矩阵。车站结构模型动力方程在研究列车一高架车站系统动力响应分析时,通常对车站结构模型进行以假定:车站结构子系统为线性系统,在研究的过程中,车站子系统总体的质量豫阵、阻尼矩阵、刚度矩阵均为常数。车站结构的仃点间距应足够小,结构非节点位置处的结构位移、速度和加速度可以通过与其帽邻的两节点的相应数值线性插值到:结构在非节点处的力遵循与距离成反比的关系向相邻两节点进行分配。只考虑车辆子系统对结构子系统在方向、方向。方向的作用力,不考虑乍辆对结构在,和,方向的作用,方向只考虑车辆在启动和制动是对结构的作用力。左右轨理论位置连线的的中点轨迹作直线考虑。轨道各位置处的平顺在所研究的时间范田内倮持不变。通过以对车站结构模型的似殴,建立车站结构子系统的动力方程式:十 &、式中:盯。、。分别为车站结构子系统的总体质量矩阵、总体阻尼矩阵和总体刚度矩阵。轮轨接触模型车辆和结构之削的动力相互作用主要是通过轮轨接触的槲互作用进行的,仑北京交通人学硕士学位论文文中对轮轨关系进行如下假定:缸右两侧轮轨接触在垂向上始终保持密贴,轮对的运动可以表示为轨道不平顺附加运动和轨道粱面运动的代数和。通过蠕滑假定确定左右两侧的轮轨接触点处在、,个方向的相互作用力。为确保上述轮轨间的相互作用力是难比于轮对和钢轨间的相对速度,假定轮轨的接触点是位于车轮踏面: