大跨度桥梁端区域车-线-桥动力响应分析及轨道平顺性研究

来源 :中国铁道科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaodong618
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随着我国高速铁路网建设的不断发展,千米级以上跨度的高速铁路桥梁应运而生。梁端伸缩装置是安装在大跨度铁路桥梁梁端的专用装置。由于梁端区域轨道结构十分复杂,保持梁端区域的轨道状态成为了大跨度铁路桥梁运营维护的关键问题。目前针对梁端区域轨道变形特征的研究还不够深入,对车辆行车性能的影响还不够明确,并且缺乏适用于评价梁端伸缩装置工作状态的验收标准。本文围绕大跨度铁路桥梁梁端区域的轨道不平顺,开展了复杂荷载作用下梁端区域轨道-桥梁变形映射规律研究、适用于复杂轨道结构的车线桥耦合动力分析模型研究、梁端区域轨道几何形位对列车-轨道系统动态响应的影响分析、梁端区域轨道动态不平顺特征研究,并提出了梁端伸缩装置区域轨道高低不平顺验收标准建议。主要取得了以下研究成果:(1)建立了大跨度悬索桥梁端区域桥梁-有砟轨道-梁端伸缩装置的精细化空间耦合模型。该模型可以模拟梁端伸缩装置对轨道结构的调节作用,更准确地分析不同荷载作用对轨道变形的影响。基于该模型分析了复杂荷载作用下的桥梁梁端变位对轨道几何形位的影响,建立了梁端区域的钢轨-桥梁变形映射关系,为深入探究桥上轨道附加变形对列车-轨道结构动力性能的影响打下了基础。具体变形映射关系为:桥上区域的钢轨-桥面变形一致,在梁缝中间钢轨变形平稳过渡;在桥梁端部,垂向和横向上均出现梁端上翘时钢轨局部上凸,梁端下沉时钢轨局部下凹;梁端伸缩装置区域的钢轨变形在垂向和横向上相互耦合;钢轨-桥梁的垂向变形差异的影响范围在6 m左右,即在纵梁长度范围内,横向变形差异的影响范围最大为10 m。(2)将车-线-桥耦合振动理论应用于梁端区域,建立了基于线桥分离和梁端伸缩装置精细化建模的车-线-桥耦合动力分析模型,并开发了相应的程序,其中包括配套的前处理和后处理模块。轨道结构和桥梁结构均采用有限元法建立运动方程,能够满足梁端区域轨道结构发生变化的情况;轨道和桥梁的有限元模型相互分离,线桥相互作用力转化为强迫运动的等效荷载,使桥梁模型不再受到轨枕间距的限制,缩小桥梁模型的规模,节省计算资源;包含轮轨密贴模型和轮轨分离模型两种轮轨力计算模块,可以满足高精度或者快速计算等多种场景的需求;程序采用模块化设计,便于软件功能的修改和扩充。(3)运用编制的车线桥耦合动力分析程序,基于轨道和桥梁精细化有限元模型,将多工况下的桥上轨道变形做为附加不平顺,分析了梁端区域的列车-轨道系统动力响应,研究了梁端伸缩装置病害状态对系统动力响应的影响。梁端区域的轨道结构变化会对车辆动态响应产生显著影响,与综合检测列车测试得到的规律基本吻合。轮轨间相互作用和梁端伸缩装置的动力性能受梁端伸缩装置的轨枕间距影响较大,以主梁缩短即活动轨枕间距最大的情况最为不利。梁端伸缩装置的病害主要影响列车和轨道的垂向动态响应,严重时车辆和轨道动力响应可能超限。(4)对大跨度桥梁桥上轨道动态不平顺数据进行分析,挖掘了梁端区域的轨道不平顺时域特征;将小波变换理论推广至梁端区域轨道不平顺分析,明确了梁端区域轨道动态不平顺的波长特征。钢轨伸缩调节器的尖轨尖端附近会产生轨距突变峰值,可作为大跨度铁路桥梁梁端里程定位的依据。在梁缝处存在高低不平顺局部峰值,在尖轨尖端附近出现轨距和轨向不平顺局部峰值。梁端伸缩装置主要对高低不平顺产生影响,其变形对应的不平顺波长范围在5 m内。钢轨伸缩调节器产生的轨距和轨向不平顺对应波长在0.5~8.07 m,即在钢轨伸缩调节器的工作范围内。(5)提出了梁端伸缩装置区域轨道高低不平顺的验收标准建议。通过轨距不平顺相关性对动静态不平顺数据进行里程对齐,采用5 m弦输出的轨道动静态不平顺弦测差异值做为梁端伸缩装置区域轨道高低不平顺的验收指标,限值为2mm。与路基段轨枕空吊病害的轨道动静态不平顺弦测差异值进行对比,并将该标准用于评价梁端伸缩装置固定轨枕空吊病害,验证了其合理性。该工作可以填补目前梁端区域缺少匹配的验收标准的空白,为大跨度桥梁桥上线路的达速开通提供依据。
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