基于绝对节点坐标法的接触网悬挂系统地震响应分析方法研究

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现如今,中国高铁通车里程已经达到了4万公里的里程碑。高速铁路网几乎覆盖全国人口集中的地区。高速铁路网不可避免地与地震带重合在一起。高速铁路发达的国家,如中国、日本、法国等,都在积极开展高速铁路地震预警系统研究,取得了丰富的研究成果。高速铁路主要土建设施,包括桥梁、隧道等,抗震理论与技术也日趋成熟。但是接触网系统作为高速铁路重要组成部分,其抗震研究尚显不足,震害相对比较严重。接触网系统是一种特殊的输电系统,有独特的张力补偿装置,以保证弓网接触良好。在地震中,接触网系统往往容易受到损坏,其破坏结果往往会导致整条高铁线路的停运,且难以快速恢复运营。不仅如此,我国接触网系统抗震设计尚无针对性的规范和标准可依,主要参考建筑和电力设施的做法,缺乏理论依据。因此,如何提高接触网系统的地震安全性,做到“未雨绸缪”实现震时不坏或震后可快速修复,成为潜在的且亟待解决的重要课题。本文以接触网的承力索、接触线及吊弦组成的悬挂系统为研究对象,以绝对节点坐标法为基础,从接触网悬挂系统运动方程建立、基于耦合积分方法的运动方程求解、接触网地震响应MATLAB建模分析、接触网动力响应试验研究等方面展开了系统的研究。本文主要研究内容以及结论如下:(1)介绍了连续绝对节点坐标法的动力学理论,在连续体介质理论的基础上建立了三维二节点绝对节点法柔索单元模型,并推导了柔索系统的运动方程,得到了其系统总质量矩阵、广义力向量、约束雅克比矩阵。(2)采用Rosenbrock方法建立了求解柔索系统的动力学方程耦合积分算法,并使用质量投影法(或者直接投影法)进行了广义速度和位移的修正,保证了位移与速度的协调性,并与传统Newmark-β法的求解过程进行对比。通过MATLAB数值模拟验证了该耦合积分算法的可靠性。(3)进行了某电气化铁路隧道内接触网悬挂系统动力响应试验,测得了接触网悬挂系统加速度时程曲线,考察了接触网系统动力响应规律。(4)基于绝对节点坐标法建立了接触网悬挂系统的动力模型,并进行了接触网悬挂系统的静力学分析,确定了接触网悬挂系统的初始状态。编写了求解接触网悬挂系统动力响应的MATLAB数值模拟计算程序,通过与接触网悬挂系统动力响应试验结果进行对比,进一步验证了MATLAB程序的合理性与可靠性。基于MATLAB程序,分析了不同地震动下的接触网悬挂系统的动力响应特征,然后考察了不同张力对接触网悬挂系统地震响应的影响规律。研究表明接触网系统横向地震响应远大于纵向地震响应;随着张力的增加,接触网悬挂系统在主震方向的地震响应逐渐减小。
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