大跨度铁路悬索桥在列车制动过程中的结构行为分析

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我国幅员辽阔,在铁路建设过程中,不可避免地要通过大江、大河和大峡谷。在一些有水上通航要求的江河上,需要建设大跨度桥梁时,可选用悬索桥。在特殊的大峡谷中,拱桥方案无法满足跨度要求,斜拉桥边跨又太短,为了施工更安全、结构体系更合理,可以考虑一跨过峡谷的悬索桥方案。列车在桥上行驶时,不可避免地会出现制动的情况,而现在大多数针对列车过桥的研究都是在列车匀速过桥的基础上开展的。对于铁路悬索桥这种具有强烈非线性的结构,制动力在桥上的传递方式以及制动力对桥梁结构的影响需要进一步研究。论文主要研究内容、方法和成果如下:利用有限元软件ANSYS建立铁路悬索桥的全桥模型,结合相应的轨道结构参数,建立完善的线-桥结构模型。将简化的列车荷载加载到线-桥模型上,分析列车在不同位置制动时,制动力在线-桥结构上的传递方式。建立塔梁纵向固定约束体系、半漂浮体系、阻尼体系三种悬索桥结构,打开ANSYS中的大变形功能,分别考虑列车在桥上制动和列车匀速过桥的情况,分析制动力作用下结构的静力响应。建立列车制动力随时间变化的加载模式,分析不同结构体系悬索桥在制动过程中的动力响应。当列车停止时,制动力迅速降为0,此时会对桥梁造成冲击作用。利用ANSYS中的瞬态分析功能,计算此冲击作用下桥梁主要构件的动力响应。计算结果表明,对于大跨度铁路悬索桥,挠曲力对结构影响很小,可以忽略。在制动力作用下,半漂浮体系的梁端位移和梁端速度远远大于纵向固定约束体系和阻尼体系;体系的不同,对塔顶纵向位移来说差异不大;半漂浮体系的塔底内力在三种体系中最小,纵向固定约束体系的塔底内力最大;设置阻尼器后,塔底剪力为半漂浮体系的1.53倍,为纵向固定约束体系的46.5%,塔底弯矩为半漂浮体系的1.13倍,为纵向固定约束体系的71.9%。制动完成后,在冲击的作用下,对于半漂浮体系,梁端位移和速度的衰减周期很长;对于纵向固定约束体系,梁端有轻微振动,幅度不大;阻尼体系则将冲击作用对梁端造成的影响有效的抑制了。纵向固定约束体系的塔底内力受冲击作用的影响最大,在制动完成后塔底内力会在一个较大的范围内波动,冲击作用对另外两种体系的塔底内力影响不大。在列车制动力作用下,半漂浮体系和纵向固定约束体系均有各自的优缺点,合理地选择阻尼器参数,组成阻尼体系可以充分发挥出前两种体系的优点,同时避免其缺点。
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