基于應(yīng)變的輕軌梁橋線形監(jiān)測(cè)及其變化對(duì)列車運(yùn)行性影響研究.pdf

1、輕軌高架橋作為城市軌道交通工程的主要形式之一，具有投資少、建設(shè)周期短、對(duì)地面交通影響小等突出優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)輕軌簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋兩種應(yīng)用最為廣泛的橋型開(kāi)展線形監(jiān)測(cè)（橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱）及其變化對(duì)列車運(yùn)行性影響研究，是科學(xué)制定預(yù)警限值的必然路徑，對(duì)確保輕軌列車在高架梁橋上安全運(yùn)行具有重要意義。作者通過(guò)理論推導(dǎo)、試驗(yàn)研究及數(shù)值分析，在基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的線形識(shí)別方法、車橋耦合動(dòng)力學(xué)、線形致變性等方面開(kāi)展了部分研究工作。主要內(nèi)容如下

2、:
　　1.基于應(yīng)變的輕軌梁橋線形監(jiān)測(cè)方法與試驗(yàn)研究
　　(1)以對(duì)稱轉(zhuǎn)角模式下鋼軌-簡(jiǎn)支梁體-橋墩整體模型為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值分析驗(yàn)證鋼軌與梁體豎向變形具有一致性，奠定基于軌底可測(cè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)支梁橋橋墩差異沉降的理論基礎(chǔ);通過(guò)理論推導(dǎo)，建立了沉降致鋼軌應(yīng)變與簡(jiǎn)支梁橋橋墩差異沉降之間的解析表達(dá)式，解析式物理意義明確、表達(dá)形式簡(jiǎn)單。
　　(2)基于固定支座模型和墩柱支承變剛度模型分別開(kāi)展了輕軌連續(xù)梁橋橋墩差異沉降致變性研究，從

3、墩柱沉降、支座反力、梁體彎矩等方面開(kāi)展了比較分析;以三跨連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建了基于應(yīng)變的連續(xù)梁橋橋墩差異沉降識(shí)別理論，并通過(guò)安裝有兩種應(yīng)變傳感器的三跨連續(xù)梁橋模型試驗(yàn)驗(yàn)證了理論解析式，多種工況下的理論結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果在趨勢(shì)和數(shù)值上均吻合良好;還提出了基于應(yīng)變的連續(xù)梁橋橋墩差異沉降識(shí)別策略，即監(jiān)測(cè)方案→有無(wú)沉降→沉降定位→沉降定量。
　　(3)從基本力學(xué)原理出發(fā)，利用應(yīng)變獲取截面曲率值，采用最小二乘法擬合得到曲率函數(shù)，通過(guò)對(duì)曲

4、率函數(shù)的二次積分求解，建立了基于應(yīng)變獲取撓度曲線函數(shù)的基本方法;并結(jié)合某預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的原型加載試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法具有較高精度且求解過(guò)程方便易行，適于在輕軌梁橋或不便于直接測(cè)量撓度的梁式構(gòu)件應(yīng)用。
　　2.考慮線形變化的輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)耦合模型與動(dòng)力評(píng)估
　　(1)詳細(xì)論述了輕軌列車、軌道、橋梁等各子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)物理模型，通過(guò)Hertz彈性接觸理論、彈簧-阻尼單元分別實(shí)現(xiàn)輪軌、橋軌相互作用關(guān)系;運(yùn)用逆傅氏變化法生成了

5、軌道隨機(jī)不平順時(shí)域樣本，采用強(qiáng)迫位移法、均布線荷載調(diào)控法分別實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力求解前橋墩差異沉降、梁體下?lián)?上拱初始態(tài)的定量控制。從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度提出線形變化時(shí)輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)的建模方法;采用移動(dòng)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)代替輕軌列車車輛模型，開(kāi)展移動(dòng)質(zhì)量彈簧系統(tǒng)-簡(jiǎn)支梁模型的動(dòng)力求解之解析解推導(dǎo)，通過(guò)解析解與基于ANSYS平臺(tái)輪軌接觸算法所得數(shù)值解的比較分析，驗(yàn)證了數(shù)值分析方法和所得結(jié)果的可靠性，即間接證明了基于ANSYS平臺(tái)開(kāi)展輕軌列車-軌道-橋

6、梁相互作用系統(tǒng)的動(dòng)力分析是可靠的，為開(kāi)展車橋系統(tǒng)動(dòng)力性能評(píng)估和線形致變性研究提供基礎(chǔ)。
　　(2)基于驗(yàn)證的輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)建模理論與方法，以某市輕軌高架線簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋區(qū)段為研究對(duì)象，基于有限元軟件ANSYS和多體動(dòng)力學(xué)理論，分別建立兩種橋型（簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋）兩種運(yùn)行方式（單線、相向）對(duì)應(yīng)的四類輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)三維可視化有限元模型，開(kāi)展了車橋相互作用系統(tǒng)的動(dòng)力分析與評(píng)估;系統(tǒng)研究了輕軌列車運(yùn)行速度對(duì)相互作

7、用系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響，結(jié)果表明，車速對(duì)梁體豎向變形無(wú)顯著影響，伴隨車速增加，輪重減載率增加，運(yùn)行平穩(wěn)性變差。
　　3.輕軌梁橋線形變化對(duì)輕軌列車運(yùn)行性影響及預(yù)警限值確定
　　采用考慮線形變化的輕軌列車-軌道-橋梁系統(tǒng)實(shí)時(shí)耦合動(dòng)力分析模型，研究橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱、車速、運(yùn)行方式等因素對(duì)輕軌列車過(guò)橋時(shí)運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性的影響。結(jié)果表明:(a)輕軌列車運(yùn)行于多跨簡(jiǎn)支梁橋工況:在車速與梁體線形相同時(shí)，運(yùn)行方式對(duì)輕軌列車運(yùn)行安全

8、性無(wú)顯著影響;車速較低時(shí)(40km/h、60km/h)，運(yùn)行方式對(duì)車體最大豎向加速度基本無(wú)影響，車速≥80km/h后影響顯現(xiàn);Sperling指數(shù)對(duì)輕軌列車運(yùn)行方式的影響有很好區(qū)分度，相向運(yùn)行大于單線運(yùn)行。綜合分析可知，車速是影響輕軌列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性最主要的因素，其次是梁體線形變化，而運(yùn)行方式影響程度最小。(b)輕軌列車運(yùn)行于連續(xù)梁橋工況:在車速與梁體線形相同時(shí)，運(yùn)行方式對(duì)輪重減載率、車體最大豎向加速度、Sperling指數(shù)均無(wú)顯

9、著影響;影響輕軌列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性最主要的因素仍是車速，其次是梁體線形變化，而運(yùn)行方式對(duì)其基本無(wú)影響。
　　針對(duì)本文開(kāi)展的以簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋組成的輕軌線路工程，在運(yùn)營(yíng)速度段(V≤80km/h)當(dāng)橋墩沉降≤30mm或梁體下?lián)?上拱≤20mm時(shí)，輕軌列車均可滿足安全、平穩(wěn)運(yùn)行要求;伴隨車速提高，梁體線形演變?yōu)橹骺匾蛩?，如加?qiáng)線形監(jiān)控和軌道維護(hù)，該輕軌線路具有提速運(yùn)行空間，即可以提速至100km/h運(yùn)行。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)如下

10、;
　　(1)以對(duì)稱轉(zhuǎn)角模式下鋼軌-簡(jiǎn)支梁體-橋墩整體模型為基礎(chǔ)，建立了基于鋼軌應(yīng)變的輕軌簡(jiǎn)支梁橋橋墩差異沉降監(jiān)測(cè)方法;利用連續(xù)梁橋內(nèi)力重分布機(jī)制，建立了基于梁體應(yīng)變的連續(xù)梁橋橋墩差異沉降監(jiān)測(cè)方法。
　　(2)從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度建立了考慮輕軌梁橋線形變化（橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱）的列車-軌道-橋梁相互作用系統(tǒng)實(shí)時(shí)耦合動(dòng)力分析模型。
　　(3)深入研究了橋墩沉降、梁體下?lián)?上拱、車速、運(yùn)行方式等因素對(duì)輕軌列車過(guò)橋運(yùn)行性能