车致“站桥合一”高速铁路客站随机振动分析

为研究轨道不平顺引起的列车-"站桥合一"客站耦合系统随机振动特征,提出基于虚拟激励法和有限元方法的车辆-轨道-客站耦合系统竖向随机振动模型。其中,车辆采用具有二系悬挂的质量-弹簧-阻尼系统模拟,轨道-客站采用有限元方法模拟,轮轨关系采用可以考虑轮轨相对变形的线性Hertz接触模型。采用虚拟激励法将轨道不平顺精确地转化为一系列竖向简谐不平顺的叠加,将非平稳随机振动问题转化为确定性的时间历程问题,推导车辆-轨道-客站耦合时变系统随机振动计算模型。以天津西站为例,对列车高速通行引起的客站各楼层随机振动特性进行分析,并讨论车致振动随车速的变化规律。研究结果表明:客站竖向位移主要受车辆轴重引起的确定性激励控制,轨道不平顺引起的随机激励对其影响很小,而竖向加速度则受两种激励的双重影响;车致随机振动在客站结构内衰减迅速,同一楼层平面内,确定性响应和随机性响应衰减速率相近,沿楼层高度方向,随机性响应衰减速率稍大于确定性响应;车速变化对客站位移影响较小,但对加速度影响显著,其中加速度均方根随车速增大而显著增加。     

基于虚拟激励法的车桥系统随机振动分析

基于虚拟激励法进行列车~桥梁耦合系统的非平稳随机振动分析,研究了车速以及轨道不平顺等级对系统随机振动的影响。车辆模型采用10个自由度的两系悬挂垂向车辆模型,考虑轮轨接触点处随机激励的时滞性,将轨道高低不平顺激励假设为均匀调制多点完全相干随机激励;然后根据时变系统的虚拟激励法,将其转化为一系列确定的虚拟激励,采用Newmark逐步积分法分离迭代求解系统的虚拟响应,进而求得系统随机响应的时变功率谱和标准差,据此分析系统的随机振动特性;最后通过数值算例分析了列车速度、轨道不平顺等级对系统随机响应的影响。     

基于虚拟激励法的车桥系统车速影响分析

本文基于虚拟激励法提出列车-桥梁耦合系统的非平稳随机振动分析的新方法,并借此重点分析车速对系统随机振动的影响。列车每节车辆考虑27个自由度,桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道不平顺假设为多点异相位平稳随机激励。根据时变系统的虚拟激励法,推导得到方向、高低和水平三类轨道不平顺作用下车桥系统响应的时变功率谱及标准差,并采用精细积分法进行迭代计算,最后以高斯型随机变量的三倍标准差为误差范围给出系统响应最大值估计。在数值算例中,用时间历程法验证本文方法的正确性和有效性,并重点讨论列车速度的影响。     

宝兰客专路堤段地面振动特性 试验研究与数值分析

基于高速列车动荷载激励引起的无砟轨道-路基-黄土地基体系的地面振动问题,对宝兰客专DK993+110处路堤区段地面振动进行试验研究和数值分析。对试验数据从时域和频域2个方面进行分析,研究不同车型的动荷载引起地面垂向振动加速度在黄土地基中的衰减规律,研究结果表明;在距离线路中心线10～24m衰减较快,随着距离增大,距离线路中心线24～42m衰减速度趋于平缓,且在30～42m处各型车引起地面振动均出现了振动反弹增大现象。建立车辆-轨道-地基系统模型,研究列车动荷载作用下的地面响应,发现与实测结果吻合良好,验证模型的合理性与计算的正确性,依据不同场地速度结构,通过改变地基介质模量比和覆盖层厚度的方式,分析地基介质模量比和覆盖层厚度对振动反弹增大的影响。分析车速对地面振动的影响,发现地面振动随车速增大呈增大趋势,且不同车速列车引起振动反弹区域也有一定差异。按《城市区域环境振动标准》评价该处地面振动Z振级,回归分析得出各型车引起Z振级符合对数衰减规律,但在振动反弹区30～42m处拟合效果较差,表明拟合公式适用范围应当限定在10～30 m之间。     

线路不平顺对桥上CRTSⅡ型板轨道振动的影响

研究目的:轨道不平顺引起的列车振动和轮轨相互作用力随着列车速度的提高成倍增大。对车辆-轨道-桥梁耦合振动而言,桥梁变形和轨道不平顺相互叠加形成轨面位移,因而轨道不平顺对系统动力响应的影响更加显著。本文针对轨道不平顺对客运专线高架轨道结构振动特性的影响进行研究,分析三种实测中长波轨道不平顺状态,即路基有砟轨道不平顺、桥上有砟轨道不平顺以及隧道无砟轨道不平顺对高架轨道结构振动响应产生的影响。研究结论:(1)在相同运营条件、相同养护条件下,不同轨道结构的不平顺状态对轮轨冲击作用力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度的影响不同,但对桥梁振动加速度的影响较小;(2)在客运专线轨道中长波不平顺激励下,钢轨振动频率主要分布在20～250 Hz范围内,轨道板、桥面板垂向振动频率分布在20～150 Hz范围内,轨面不平顺度的波长成分是影响轨道结构振动频率分布特性的一个主要因素;轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;(3)除了轨道结构类型的影响,轨道不平顺功率谱大小与波长特性对轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度也产生了显著的影响,建议在进行轨道不平顺控制时将轨道不平顺谱纳入高速铁路客运专线轨道质量的评价指标当中;(4)本研究成果对加深认识我国高速铁路轨道不平顺对高架轨道结构振动特性的影响具有一定的理论意义和实用价值。     

“房桥合一”轨道层结构车致振动响应测试研究

为研究“房桥合一”轨道层结构车致振动特性与传播规律,选择天津西站轨道层结构,测试客、货列车通过时的轨道层结构振动加速度响应.16种工况共128组数据的分析结果表明:在列车低速通过时,“房桥合一”轨道层结构的加速度振级范围为83～113 dB;同一测点在相同振源距离、相同车型下,其振级随车速的增加而增大;在相同车速和车型下,测点的振级随距振源距离的增加而呈非线性减小,减小程度随距振源距离增加而降低.车速对“房桥合一”轨道层结构的主要车致振动响应频率的影响不大;距振源越近,频谱峰值越大;车速越高,频谱峰值越大.客、货列车对“房桥合一”轨道层结构的激振频率不同;货车对结构有低频激励影响,且高频激振不稳定;客车高频激励较为稳定.采用点振源函数拟合“房桥合一”轨道层结构的车致振动响应,获得了可以表征“房桥合一”轨道层结构车致振动传播规律的振动衰减曲线.     

浮置板式轨道结构隔振效果仿真研究

建立列车—轨道结构耦合系统有限元模型,将轨道不平顺作为列车—轨道结构耦合系统的激励源,对普通碎石道床轨道结构和浮置板式轨道结构的列车—轨道结构耦合系统动力学性能进行仿真研究,对比分析这2种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价浮置板式轨道结构的隔振效果。分析结果表明,浮置板式轨道结构与普通碎石道床轨道结构相比,振动加速度降低约70%,距线路5 m处大地振动加速度响应峰值降低约62.8%,相应Z振级衰减约10 dB,竖向振动加速度频率范围由0~200 Hz降到0~60 Hz,有效起到了振动隔离效果。     

轨道不平顺分析程序

轨道不平顺是引起车体振动加速度、轮轨作用力和轮轨噪声增大的主要因素之一。车体振动加速度的大小与轨道不平顺具有密切的关系。随着列车速度的提高,对车辆振动影响的轨道不平顺不利波长也随之增长。轮轨噪声中的滚动噪声与轨面短波连续不平顺具有密切关系。轨道不平顺分析程序对轨检车测得的轨道不平顺数据进行处理,得到功率谱密度分布函数。利用此分布函数分析轨道不平顺在各波长的分布;根据测得的车体振动加速度,对轨道不平顺与车体振动加速度进行相干分析,确定引起车辆振动加速度增大的不利波长,以便有针对性地对这些波长的轨道不平顺作重点养护。     

地铁运行所致隧道上方旅客过夜用房频域振动分析

以某新建机场的旅客过夜用房建筑与地铁隧道合建项目为研究对象,利用车辆-轨道耦合动力学理论和结构动力学理论分别建立列车-轨道耦合动力学模型和隧道-土-建筑物相互作用系统有限元模型,采用两步分析方法预测列车以不同速度通过引起的上盖建筑振动,并根据相关标准评价其是否满足标准要求。主要结论如下:不同车速引起的上盖建筑的分频Z振级随中心频率变化的趋势相似,总体上,50 Hz以下随着频率的增大而增大;50 Hz以上随着频率的增大而减小;车速越高轮轨相互作用和轨道结构的振动越剧烈,所致建筑物振动超标情况也越严重,车速从80 km/h增加到140 km/h时,垂向轮轨力的最大值从120.19 kN增加到152.75 kN,钢轨和浮置板的最大加速度分别从64.02g和2.25g增加到140.49g和4.7g,建筑物最大Z振级从75 dB增加到90 dB。建议进一步采取减振措施来保证地铁列车通过所致振动满足标准要求。     

地铁减振垫轨道结构对车致环境振动的影响分析

减振垫轨道是城市轨道交通高等减振措施中常用的一种轨道结构。为了研究减振垫轨道结构对车致环境振动的影响,首先对减振垫轨道的模态进行分析,其次建立了地铁列车-减振垫轨道-隧道-土体-建筑物系统模型。该系统模型分为两个子模型,将子模型1中的竖向轮轨力作为子模型2的外加激励,计算分析了轨道板、隧道壁、地面和楼层的车致振动加速度特性与振级特性。研究结果表明:由列车运营引起的振动在传递途径中,竖向振动加速度由轨道板到隧道壁的衰减量远大于由隧道壁到地面的衰减量,楼层和地面的竖向振动加速度水平基本相当;轨道板、隧道壁、地面和楼层的1/3倍频程加速度级两个峰值对应的中心频率31.5 Hz、80 Hz与轨道板第5阶、第10阶主振型的固有频率有关;减振垫轨道的中心频率介于3.15 Hz和8 Hz之间的减振效果较好;隧道埋深大于11 m,以及采用减振垫轨道结构的情况下,隧道正上方地面和楼层的Z振级最大值均小于70 dB,能够满足环评标准的要求。     

轨道高低不平顺敏感波长的分布特征及其影响因素的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用频率分析方法计算轨道高低不平顺与车辆-轨道垂向耦合系统之间的传递函数。根据车辆-轨道耦合系统的振动传递特性得出轨道高低不平顺的敏感波长,并分析其分布特征,进一步探讨行车速度、车辆悬挂参数、轨道参数对敏感波长的影响。结果表明:基于车辆-轨道耦合系统的振动传递特性,可得出轨道不平顺的敏感波长;车体、转向架振动加速度的敏感波长不随车速的增大而递增,而由车速的增大速率与敏感频率移动速率的比值决定的;轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随车速的增大近似呈线性增大;适当增大车辆系统的悬挂刚度和阻尼有利于减小高低不平顺的最大敏感波长范围;轨道刚度和阻尼对车体、转向架振动加速度的敏感波长几乎无影响,但轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随轨道刚度和阻尼的增大而减小。     

提速线路轨道不平顺不利波长的研究

研究目的:轨道不平顺是引起车辆与轨道结构产生振动的主要激励源。不同种类的不平顺,其激扰方向和影响程度各不相同,而且轨道不平顺的幅值和波长对车辆/轨道动力特性都产生重要影响。因此,从幅值和波长两个方面揭示轨道不平顺特征的功率谱密度进行研究,可更全面研究车辆的振动性能。研究结论:本文通过分析武九线实测的轨道不平顺数据,得到武九线线路不平顺功率谱分布函数。根据测得的车体振动加速度,将不种类的轨道不平顺与车辆的振动加速度进行相干分析,得到了引起车辆较大振动加速度的最不利波长。     

基于虚拟激励法的轨道车辆垂向振动响应分析

针对传统的随机振动分析方法计算复杂、计算量大的问题,提出采用虚拟激励法求解轨道车辆的垂向振动响应,建立某型车辆的垂向动力学模型,求解车辆的垂向振动响应并验证模型的正确性.与传统求解方法的计算结果比较表明,虚拟激励法适合于求解车辆的垂向振动响应,并且计算简单.在频域内对车辆垂向振动响应的分析表明:随着车辆运行速度的提高,车体、前后转向架以及一位轮对的垂向加速度的功率谱密度和振动主频均增大,轮对的垂向振动经一系悬挂传到转向架,再经二系悬挂传到车体,其振动频率f降低,振动幅值迅速减小,传到车体上时振动已变得很弱;f＞5Hz时,车体、前后转向架和一位轮对垂向加速度的功率谱密度均随着一系阻尼器两端橡胶节点刚度与一系弹簧刚度比值的增大而增加,尤其是车体和前后转向架的垂向加速度的功率谱密度变化更为明显,因此降低橡胶节点的刚度有利于提高车辆运行的平稳性.     

钢轨表面短波不平顺对地铁振动源强影响

基于对北京地铁实测的131个不同磨耗状态下钢轨表面短波不平顺数据进行功率谱密度估计,采用统计学中四分位数方法选取分位为1%,25%,50%,75%和99%的5个磨耗状态样本,采用幂函数对选取样本的功率谱密度进行分段拟合,得到普通整体道床钢轨短波不平顺谱5个分级(Q1,Q2,Q3,Q4和Q5级)的数学表达式;采用多体动力学软件Simpack和有限元软件Abaqus建立车辆-轨道刚柔耦合模型,通过输入不同等级钢轨表面短波不平顺谱,分析不同磨耗状态下钢轨和隧道壁的振动响应。结果表明:钢轨在20 Hz以上振动响应受其磨耗状态的影响显著;隧道壁在4 Hz以上振动响应才受到钢轨磨耗状态的影响;地铁列车环境振动源强随着钢轨磨耗发展而提高,Q2,Q3和Q4级的钢轨磨耗对应隧道壁的最大Z振级极端差值可达到10 dB,因此,对环境振动进行预测时应考虑钢轨表面磨耗发展的影响。     

小半径曲线段浮置板轨道振动对邻近民居影响测试研究

为评估小半径曲线浮置板轨道段地铁列车下穿振动敏感建筑造成的环境振动影响,对无锡地铁2号线近距离下穿一处民居进行现场测试,从加速度时程、频谱、有效值、1/3倍频程谱和最大Z振级(VL_z,max)方面进行分析,探究民居不同楼层及不同平面位置处的振动响应规律。研究结果表明：(1)同楼层中远离线路的楼层中央加速度响应时程峰值明显大于靠近线路的楼层边缘处,而不同楼层的同一平面位置处,2楼加速度响应明显大于1楼;(2)由于浮置板轨道一阶固有频率及轮轨共振频率的影响,振源及民居不同测点加速度频谱峰值均出现在7 Hz及80 Hz附近;(3)不同楼层及不同层内平面位置的最大Z振级量值存在一定差异,各测点的平均最大Z振级在53.97～57.10 dB之间,小于规范限值67 dB。浮置板轨道在该小半径曲线段对地铁振动控制作用良好。     

地铁车辆段试车线车致振动特性实测与分析

以某地铁车辆段试车线列车运行的振动特性为主要研究对象,实测了列车以不同速度出入库时所引起的轨道区、地面区和室内区的振动加速度响应.从时域和频域角度分析了振动传播特性.结果表明:轨道区振动以高频成分为主,且随振动传播过程衰减较快;随着列车速度的增加,各测点的振动强度整体呈现增大趋势,但地面和室内测点的振动小于63 Hz,...     

温度-轨道不平顺组合激励下车-轨-桥耦合动力响应分析

为研究温度-轨道不平顺组合激励下千米级矮塔斜拉桥上无砟轨道的行车安全,根据运营环境确定温度荷载工况,并采用ANSYS进行静力分析,确定最不利温度荷载工况。基于车-轨-桥耦合动力分析理论,分析温度-轨道不平顺组合激励下千米级的矮塔斜拉桥上无砟轨道行驶高速列车的动力响应,计算不同行车速度对车辆和桥梁动力响应的影响,并根据现有规范标准,评价千米级的矮塔斜拉桥上无砟轨道的行车安全,提出温度-轨道不平顺组合激励下桥上安全行车的舒适行驶速度范围。分析结果表明：以350 km/h设计行车速度过桥时,动车、拖车垂向加速度最大值分别为0.8 m/s²和0.66 m/s²,各动力响应数据均处于优良水平,满足相关规范要求;车体的加速度最值与行车速度呈正相关趋势;行车速度为400 km/h时,动车车体垂向加速度最大值为0.95 m/s²,是行车速度为250 km/h的1.48倍;当车速达到400 km/h时,Sperling舒适性指标由“优秀”转为“良好”,行车舒适度相对较差。为保证桥上行车安全,建议行车速度不超过400 km/h。     

地铁列车运行引起环境振动响应的人工单点列脉冲激励预测方法

为了在频域内精确预测地铁列车运行引起的环境振动响应,研究提出基于实测振动传递特性的人工单点列脉冲激励预测方法。应用人工单点列脉冲激励获得传播系统的振动传递特性,采用振动传递转换公式将其转化为地铁列车运行时的振动传递特性;结合已建立的实测振源数据库,预测地铁列车运行引起的环境振动响应。以地铁15号线望京站—望京东站区间的地表振动预测为例,采用该方法、数值模拟方法和链式衰减预测法分别预测该区间地表预测点处的振动响应,并与实测结果进行对比。结果表明:采用该方法可以得到受振目标测点的频谱、1/3倍频程谱、Z振级等指标,并可实现多点同步、精确的振动响应预测;与其他2种预测方法相比,该方法具有预测精确度高、预测频带宽、受振目标针对性强等特点,适用于地铁隧道修建前后对重点受振目标的频域内精确预测。     

基于SiPESC-HiPEM的高速列车车体随机振动响应分析

轨道不平顺是高速列车振动的主要激励源,其激起的列车系统振动具有典型的随机振动行为,其对列车运行的安全性、平顺性具有重要影响。针对此问题,利用虚拟激励法为核心算法的SiPESC-HiPEM计算百万自由度复杂三维车体弹性体的随机振动响应,并根据振动响应结果及疲劳累积损伤理论计算车体的疲劳寿命,其高效、精确的特点为高速列车动力学设计、性能预测提供了有效手段。     

曲线地段地铁诱发的大地振动规律探讨

以南昌地铁1号线的某标段工程为研究背景,建立曲线地段的轨道—隧道—大地三维有限元模型,同时考虑竖向和水平向轮轨作用力的影响,计算得到了地铁列车通过曲线时诱发的环境振动。计算结果表明:当曲线的半径一定时,地铁在曲线地段运行引起的钢轨、隧道壁和地面振动响应均与列车行驶速度密切相关;曲线地段地面水平向振动加速度级要大于竖向,平均高出5 d B;水平向和竖向振动加速度级均表现出随着与隧道中心线间距离的增加而呈波动性衰减特性,频率越高振动加速度级衰减的速度越快;环境振动在衰减过程中都会出现放大区,竖向和水平向的振动放大区出现的位置有所不同,但振动放大区的主频差别不大。