基于随机车桥理论的铁路常用跨度梁动力系数研究

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我国铁路建设的高速发展,势必对铁路桥梁设计提出更高要求,而铁路桥梁设计理论发展与设计标准改进每一小步,必将是社会效益和经济效益提升的一大步。国内多家单位也在进行更接近实际列车的荷载图式研究,例如市域铁路中ZS荷载的提出,使得设计荷载静效应与实际列车十分接近,为配合更接近实际列车的荷载图式,本文进行了与之相匹配的动力系数研究。归纳了国内外规范中动力系数的相关规定,总结了现有动力系数的制定过于依赖实测数据、对共振状态下的动力系数研究不足、未考虑轨道不平的随机性影响等现状。并参考欧洲规范,基于移动荷载列模型以及随机车桥耦合模型,提出了新的动力系数确定原则。研究成果给出了具有明确物理意义、且有一定概率保证的动力系数,为提升铁路桥梁动力设计的合理性提供科学依据。主要工作及创新如下:(1)总结现有规范中动力系数存在的问题,基于随机车桥理论,提出了具有一定概率保证的动力系数确定原则,即1+μ1+μ2,其中1+μ1是车辆移动荷载引起的桥梁动力放大效应,采用移动荷载列模型计算,并提出了修正方法,μ2是轨道不平顺引起的桥梁动力放大效应,采用随机车桥模型计算。(2)对比分析了设计中常用到的移动荷载列模型、移动质量模型、簧上质量模型以及多自由度车桥模型四种车桥耦合振动模型,根据不同的简化程度,探讨了车桥简化理论适用条件。并全面分析了列车质量、悬挂系统、车辆编组、桥梁阻尼、桥梁频率、桥梁跨度等条件下移动荷载列模型的适用性,考虑到设计中对模型简单高效的需求,提出移动荷载列修正模型以及相应的修正系数,以代替多自由度车桥耦合模型,为桥梁设计提供有效计算手段。(3)研究了车辆移动荷载引起的桥梁动力放大效应,将桥梁视为有阻尼的分布参数体系,推导了其位移以及动力系数解析解,并结合数值计算结果,得出桥梁最大动力系数是桥梁和车辆长度之比的函数。且当车速高到足以引起桥梁共振时,桥梁的最大动力系数为定值,与桥梁频率无关,频率仅影响最大动力系数出现的速度。探讨了桥梁最大动力系数与桥车长度之比的关系,提出了桥梁最大设计动力系数的拟合公式,为设计中桥梁跨度的选取提供了参考;且研究表明消振情况下桥梁的动力系数同样符合以上规律,此时桥梁动力系数为最小动力系数。对桥梁动力性能的评估与设计有着重要的指导意义。(4)研究了轨道不平顺引起的桥梁动力放大效应,提出了基于谱表示-随机函数法的随机车桥模型,在保证列车运营安全的前提下,深入探讨了常用跨度桥梁的动力行为特点,并研究了轨道不平顺的优良品质、列车行驶速度、桥梁频率、桥梁跨度、车辆参数等因素对其相应标准差的影响,为桥梁设计中动力系数标准差的取值提供理论基础。(5)针对市域铁路,采用移动荷载列修正模型,给出了1+μ1的查询表,以及基于随机车桥模型提出了μ2的拟合公式,最终得到了适用于市域铁路的动力系数(1+μ1+μ2);且针对桥梁某些跨度(40m~56m)动力系数较大的情况进行了提高基频处理,此目的是为了降低桥梁动响应从而降低截面刚度达到减少造价的目的,最终提出了适用于市域铁路的桥梁基频限值;与现有市域铁路规范进行了对比,得出本文所提动力系数计算方法具有合理性,且该方法同样适用且其他线路类型,对现有规范的进一步修订提供参考。
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