轨道结构形式对箱梁中高频振动的影响研究
发布时间：2020-02-13 14:11
【摘要】：为探讨不同轨道结构对桥梁中高频振动的影响,在频域内建立考虑多轮对相互影响的车辆-轨道系统耦合模型和桥梁有限元模型,以某城市轨道交通30 m简支箱梁的现场动载试验为依据,对所建模型进行验证。在此基础上,采用数值方法就三种轨道结构形式(埋入式轨枕、梯形轨枕以及钢弹簧浮置板)对箱梁中高频振动的影响规律及原因进行了探讨。结果表明:"车轮-轨道系统"的固有频率影响轮轨力的峰值频段;频率低于"钢轨-扣件系统"的固有频率时,钢轨的动柔度受到轨道结构形式的影响;各轨道结构系统的固有频率决定着力传递率的衰减趋势,并在该固有频率附近放大力传递率;轮轨力(外因)与力传递率(内因)共同决定着传递到箱梁上的力,从而影响箱梁中高频振动;对于箱梁中高频振动的减振效果而言,钢弹簧浮置板最优,梯形轨枕次之,埋入式轨枕最差。
【图文】：
桥梁中高频振动的影响，以期为减振降噪设计提供依据。1车辆-轨道-桥梁系统频域模型1．1轮轨相互作用及车辆模型根据文献［14-15］，轨道不平顺是引起轮轨作用力的根源，在轨道交通中，，车辆运行速度远小于钢轨中振动波的传播速度，故在频域内计算轮轨相互作用力时可采用移动不平顺模型，即在车轮与钢轨间形成相对位移激励。在轮轨相互作用频域模型中，可将轮轨接触简化为线性Hertzian接触［1］。此时，车轮动柔度、轮轨线性接触柔度和钢轨动柔度联合影响轮轨相互作用，故总的动柔度为三个动柔度之和［1］，如图1(a)所示。轮轨相互作用力可由式(1)计算［1］:Fc=－Ｒ(αw+αc+αr)(1)式中:αw为车轮动柔度;αc为轮轨接触弹簧柔度，αc=1/KH，KH为线性轮轨接触刚度(如图1(b)所示);αr为钢轨动柔度;Ｒ为轨道不平顺。可以看出，求解轮轨相互作用力的关键是获取式(1)中的三个动柔度。(a)轮轨相互作用示意图(b)车辆模型图1理论模型Fig．1Theoreticalmodels车辆由车体、转向架、一系悬挂、二系悬挂、轮对等重要部件构成。通常，二系悬挂频率为1Hz左右，一系悬挂低于10Hz。本文考虑20～1500Hz的中高频振动，故可忽略二系悬挂以上构件的影响，即仅考虑转向架、一系悬挂以及轮对。对于转向架，本文仅考虑其垂向自由度，不考虑转动自由度，因此可采用1/4转向架模型来计算车轮动柔度，如图1(b)所示。在图1中，Mb为转向架质量;K1、C1为一系悬挂刚度和阻尼系数;Mw为单轮质量;KH为线性轮轨接触刚度。利用D'Alembert原理建立转向架、车轮两自由度动力方程，可求得车轮在单位力作用下的位移(即动柔度)为:αw=1KM(1+iηM)+K1+iωC1?
·70·土木工程学报2017年发生作用，多个振动波的叠加将会产生相互影响［15］。振动波在中低频范围(20～300Hz)的衰减较高频范围(300～1500Hz)快，故在计算中高频(20～1500Hz)振动时必须考虑多轮对相互作用的影响。(a)埋入式轨枕(b)梯形轨枕(c)钢弹簧浮置板图2三种典型的轨道结构Fig．2Threetypicaltrackstructures在城市轨道交通中，轨道结构形式多种多样。本文探讨较为常用的三种轨道结构形式:埋入式轨枕、梯形轨枕、钢弹簧浮置板。图2所示为三种轨道结构形式的横截面图。埋入式轨枕的轨道板与桥梁之间无任何减振措施，整体性好，轨道板在纵向断开。因此，埋入式轨枕可不考虑其减振性能，在计算中将轨道板作为二期恒载施加在桥梁上。扣件力直接作用于桥上，扣件间距为Dp。梯形轨枕由两块轨道板分别支撑钢轨，轨道板下由减振垫(即支撑弹簧)在纵向离散支撑，两块轨道板在横向每隔一段距离由钢管连接，每块轨道板在纵向每隔一段距离断开。在计算时，忽略钢管连接件的影响，仅分析半幅结构。梯形轨枕轨道板尺寸表示为LT(长)×BT(宽)×HT(高)，弹性模量为EbT，密度为ρbT。支撑弹簧刚度为KbT，内损耗因子为ηbT，纵向间距为DbT。钢弹簧浮置板由一整块轨道板支撑钢轨，轨道板下由钢弹簧在纵向离散支撑，每块轨道板在纵向每隔一段距离断开。在计算时考虑半幅结构，其结构计算形式与梯形轨枕类似。浮置轨道板尺寸为LF(长)×BF(宽)×HF(高)，弹性模量为EbF，密度为ρbF。支撑弹簧刚度为KbF，内损耗因子为ηbF，纵向间距为DbF。图3车辆-轨道系统耦合模型Fig．3Modelofvehicle-trackcouplingsystem对于一般城市轨道交通列车来说，车辆定距(10～12m)远
本文编号：2579158
【图文】：
桥梁中高频振动的影响，以期为减振降噪设计提供依据。1车辆-轨道-桥梁系统频域模型1．1轮轨相互作用及车辆模型根据文献［14-15］，轨道不平顺是引起轮轨作用力的根源，在轨道交通中，，车辆运行速度远小于钢轨中振动波的传播速度，故在频域内计算轮轨相互作用力时可采用移动不平顺模型，即在车轮与钢轨间形成相对位移激励。在轮轨相互作用频域模型中，可将轮轨接触简化为线性Hertzian接触［1］。此时，车轮动柔度、轮轨线性接触柔度和钢轨动柔度联合影响轮轨相互作用，故总的动柔度为三个动柔度之和［1］，如图1(a)所示。轮轨相互作用力可由式(1)计算［1］:Fc=－Ｒ(αw+αc+αr)(1)式中:αw为车轮动柔度;αc为轮轨接触弹簧柔度，αc=1/KH，KH为线性轮轨接触刚度(如图1(b)所示);αr为钢轨动柔度;Ｒ为轨道不平顺。可以看出，求解轮轨相互作用力的关键是获取式(1)中的三个动柔度。(a)轮轨相互作用示意图(b)车辆模型图1理论模型Fig．1Theoreticalmodels车辆由车体、转向架、一系悬挂、二系悬挂、轮对等重要部件构成。通常，二系悬挂频率为1Hz左右，一系悬挂低于10Hz。本文考虑20～1500Hz的中高频振动，故可忽略二系悬挂以上构件的影响，即仅考虑转向架、一系悬挂以及轮对。对于转向架，本文仅考虑其垂向自由度，不考虑转动自由度，因此可采用1/4转向架模型来计算车轮动柔度，如图1(b)所示。在图1中，Mb为转向架质量;K1、C1为一系悬挂刚度和阻尼系数;Mw为单轮质量;KH为线性轮轨接触刚度。利用D'Alembert原理建立转向架、车轮两自由度动力方程，可求得车轮在单位力作用下的位移(即动柔度)为:αw=1KM(1+iηM)+K1+iωC1?
·70·土木工程学报2017年发生作用，多个振动波的叠加将会产生相互影响［15］。振动波在中低频范围(20～300Hz)的衰减较高频范围(300～1500Hz)快，故在计算中高频(20～1500Hz)振动时必须考虑多轮对相互作用的影响。(a)埋入式轨枕(b)梯形轨枕(c)钢弹簧浮置板图2三种典型的轨道结构Fig．2Threetypicaltrackstructures在城市轨道交通中，轨道结构形式多种多样。本文探讨较为常用的三种轨道结构形式:埋入式轨枕、梯形轨枕、钢弹簧浮置板。图2所示为三种轨道结构形式的横截面图。埋入式轨枕的轨道板与桥梁之间无任何减振措施，整体性好，轨道板在纵向断开。因此，埋入式轨枕可不考虑其减振性能，在计算中将轨道板作为二期恒载施加在桥梁上。扣件力直接作用于桥上，扣件间距为Dp。梯形轨枕由两块轨道板分别支撑钢轨，轨道板下由减振垫(即支撑弹簧)在纵向离散支撑，两块轨道板在横向每隔一段距离由钢管连接，每块轨道板在纵向每隔一段距离断开。在计算时，忽略钢管连接件的影响，仅分析半幅结构。梯形轨枕轨道板尺寸表示为LT(长)×BT(宽)×HT(高)，弹性模量为EbT，密度为ρbT。支撑弹簧刚度为KbT，内损耗因子为ηbT，纵向间距为DbT。钢弹簧浮置板由一整块轨道板支撑钢轨，轨道板下由钢弹簧在纵向离散支撑，每块轨道板在纵向每隔一段距离断开。在计算时考虑半幅结构，其结构计算形式与梯形轨枕类似。浮置轨道板尺寸为LF(长)×BF(宽)×HF(高)，弹性模量为EbF，密度为ρbF。支撑弹簧刚度为KbF，内损耗因子为ηbF，纵向间距为DbF。图3车辆-轨道系统耦合模型Fig．3Modelofvehicle-trackcouplingsystem对于一般城市轨道交通列车来说，车辆定距(10～12m)远
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