高速列车-桥-桥上建筑动态耦合系统动力分析

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随着全球低碳经济的到来,修建高速铁路能够减少土地使用面积、环境污染,促进沿线地区的经济发展并能够加快产业结构的调整等得到了更广层面的共识,因此也带来了建设高速铁路的热潮,高架车站正是现代高速铁路不断发展的一种桥梁和房建相结合的新型结构体系,它以施工周期快捷,节约用地,具有良好的线路适应性等优点得到越来越多的广泛应用,尤其是高架站中的“桥建合一”型更以结构紧凑、整体性强的特点在中小型客运站中具有更强的竞争力。但是列车速度的提高,交通密度的增加,以及荷载的不断加重,高速列车、桥以及桥上建筑的耦合振动作用越来越成为一个关乎结构正常使用、列车安全运行的重要因素,一方面,高速运行的列车、轨道的不平顺对所通过的桥建合一结构产生动力冲击作用,直接影响桥以及桥上建筑的使用寿命和工作状态;另一方面,桥建合一结构的振动又对列车上的旅客以及候车厅的乘客的舒适性,列车的安全性、平稳性产生影响,然而,目前并没有针对“桥建合一式”结构设计的规范,也没有统一的设计标准,环保局更没有规定该类建筑的环境振动标准。因此,针对这种现状对高速列车-桥-桥上建筑整体系统进行动力分析,研究高速列车、桥、桥上建筑之间的相互作用,评估列车运行的平稳性和乘客的舒适性是合理进行高速铁路工程设计和施工的实际需要,对于铁路事业的发展具有十分重要的理论意义和工程价值,本文研究的内容主要包括:  根据高速列车-桥-桥上建筑相互耦合的作用机理,以及列车和桥建合一结构系统之间位移和力的协调关系,考虑列车脱轨现象,构建高速列车-桥-桥上建筑整个大系统的振动模型和振动方程。采用基于频域功率谱的傅立叶逆变换模拟方法,利用matlab编程研究并得到列车速度分别取200km/h、250km/h、300km/h的轨道不平顺时间序列图,研究我国60kg/m钢轨跨区间无缝线路轨道谱拟合曲线参数,对比分析了行车速度的不同对轨道不平顺的激振频率和波长的影响。根据构建的高速列车-桥-桥上建筑整个大系统的振动模型和振动方程研究了列车速度不同,结构跨度不同,以及轨道不平顺等多种工况下对桥以及桥上建筑的瞬态垂向位移、垂向加速度以及横向加速度的影响;研究了瞬态最大垂向位移、垂向加速度以及横向加速度与发生时间之间的关系,并进一步研究桥建合一整体结构中乘坐列车的旅客的舒适度和桥上建筑候车厅旅客的舒适度,从振动的心理角度提出了目前我国《城市区域环境振动标准》中还未对桥建合一这样的特殊结构的加速度阈值的建议。  研究结果表明,跨度的增加对桥上建筑的垂向位移影响远远大于桥梁的影响,因此增大跨度,考虑桥上建筑的减振是非常关键的,轨道梁的敏感频率集中在9.23~14.06HZ之间,其敏感波长范围基本在3~7米之内;水平不平顺对桥、桥上建筑垂向位移影响最大,随着行车速度的提高,幅值较小的不平顺也能引起车体较大的振动,使平稳舒适性降低,本文的研究工作为桥建合一结构的设计和施工提供了理论参考。本文的研究工作为桥建合一结构的设计和施工提供了理论参考。
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