地震作用下公铁两用桥的列车运行安全性及桥梁结构安全性分析

The problem of vehicle-bridge coupling vibration has arised for a long time. With the increase of vehicle speed, traffic density and load, vehicle-bridge coupling vibration has drawn more attention. However, for road-rail bridge, stability and security of car running on bridge can be affected by train, vice versa. Otherwise, seismic analysis of vehicle-bridge system under car and train loads simultaneously has not been studied deeply. For this problem, this project will study vehicle-bridge coupling vibration and seismic analysis of road-rail bridge by theoretical analysis, numerical simulation and field measurement. The main research work is listed as follows: 1) Vehicle-bridge coupling vibration of road-rail bridge under car and train loads simultaneously is studied firstly, the comfortability of running car and train and security of bridge structure will be analyzed, actual data gotten by field measurement will verify the rationality of the theoretical analysis;2) Road-rail bridge under car and train loads will be seismically excited, security of running car and train and bridge structure under seismic excitation will be studied. This project will have important theoretical significance and engineering value for protecting the safe operation of road-rail bridge.

车桥耦合振动问题的研究由来已久，随着车辆运行速度的提升，交通密度和负荷逐渐加大，车桥相互作用问题已得到广泛关注。但是对于公铁两用桥，列车过桥时会对桥上运行汽车的平稳性和安全性产生影响，反之亦然；另外同时考虑汽车和列车荷载作用下的车桥耦合振动系统的地震反应分析也尚未有深入的研究。本项目针对此问题拟以理论分析、数值模拟和现场实测为主要手段，研究公铁两用桥车桥耦合振动问题及其地震反应分析。主要研究内容包括：1）公铁两用桥在汽车和列车荷载共同作用下的车桥耦合振动分析，研究汽车和列车的运行舒适性和桥梁的结构安全性，并通过现场实测的方法得到实际数据，验证理论分析的合理性；2)对同时作用汽车和列车荷载的公铁两用桥进行地震激励，分析汽车和列车在地震作用下的安全性以及桥梁结构安全性问题。本项目的研究对保障公铁两用桥的安全运营具有重要的理论意义和工程价值。

汽车的振动、桥梁结构的振动和列车的振动会相互影响相互作用，即汽车—桥梁—列车耦合系统的各个子结构之间总是存在着相互的耦合。同时，地震、车速提升、车辆载重增加、脉动风等因素的出现也会对该系统产生不同程度的影响。为了对既有公铁两用桥的加固、安全性评定及新建桥梁结构设计提供相应的参考价值，研究不同因素对该耦合系统的影响是非常有必要的。.本项目首先通过MATLAB编程实现列车与某简支桥梁的耦合振动，并将其基本原理类比到ANSYS软件中，通过ANSYS软件的二次开发建立汽车和列车的刚体模型及公铁两用桥的有限元模型，通过约束方程实现汽车—公铁两用桥—列车系统的耦合振动，考虑地震作用、车速、车辆载重、车辆编组等因素对该系统的影响。另外，通过ABAQUS软件建立桥梁结构和列车的有限元模型，考虑了脉动风、静风等对车桥耦合振动的影响。为了验证数值模拟的正确性，建立了某座桥梁结构的物理模型，将模型试验的结果与数值模拟值进行对比。.通过研究，本项目主要获得如下成果或结论：.（1）汽车与列车同时作用在桥梁结构上时对桥梁结构动力响应的影响并不是简单的仅有汽车或者列车时相应动力响应值得叠加。因此，要想实现桥梁结构的设计，必须要建立较完善的三种求解模型并对这三种工况去包络设计。.（2）车轮与路面或者轨道之间的刚度，对桥梁结构动力响应的影响非常大，故必须要根据实际情况来设定合理的刚度。.（3）轨道不平顺的提升，会造成列车与汽车之间的相互影响增大。要想评定汽车或者列车的行车舒适性，必须要考虑汽车或者列车对彼此的影响。.（4）地震作用与列车荷载作用下引起桥梁结构的振动间存在耦合，会造成公铁两用桥的横向位移、横向加速度及竖向加速度增加而竖向位移减小。.（5）相对于垂向和纵向，桥梁结构横向位移对风荷载更敏感，静风作用下，横向位移随风速增大而增大，且振幅增大；脉动风和静风共同作用下，固定风速下横向位移、加速度衰减较慢；静风荷载使结构产生较大横向位移，但是脉动风使结构产生更大的振动。