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出版者:Thomas Telford

作者:L. Fryba

出品人:

页数:330

译者:

出版时间:1996-01-30

价格:USD 134.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780727734716

丛书系列:

图书标签:

• 铁路桥梁
• 桥梁工程
• 结构动力学
• 振动分析
• 有限元分析
• 车辆-桥梁耦合
• 桥梁健康监测
• 承载力
• 耐久性
• 铁路工程

《铁路桥梁动力学》 一、 引言：铁路桥梁动力学研究的意义与挑战 铁路桥梁作为现代交通运输网络中的关键节点，其安全性和可靠性直接关系到人员生命财产安全以及经济社会发展。与一般公路桥梁相比，铁路桥梁承受着更为严苛的动力荷载。高速列车在桥梁上的运行，不仅仅是简单的静力作用，更会引发一系列复杂的动力响应，包括振动、冲击、疲劳损伤等。这些动力效应如果得不到有效控制和预测，将严重影响桥梁的结构安全，缩短其使用寿命，甚至可能导致灾难性事故。 因此，深入理解铁路桥梁在列车动力作用下的行为规律，即铁路桥梁动力学，显得尤为重要。这门学科的研究旨在揭示列车与桥梁之间复杂的相互作用机制，分析桥梁结构在动态荷载下的响应特性，并基于这些分析结果，发展科学的设计、评估和维护方法，以确保铁路桥梁的安全、高效和经济运行。 然而，铁路桥梁动力学领域的研究充满了挑战。首先，列车与桥梁的耦合动力学问题本身就非常复杂。列车的运动并非独立的，它会受到轨道状态、轮轨接触、悬挂系统等多种因素的影响；而桥梁的响应同样会影响列车的运动，形成一个相互耦合的动力系统。其次，实际运行的列车速度越来越高，荷载频率也随之提高，这使得桥梁结构更容易产生共振，并加速疲劳损伤。此外，轨道不平顺、风荷载、地震等外部因素的叠加，进一步增加了桥梁动力响应的复杂性。最后，要建立精确的数学模型来模拟这些复杂的动力现象，需要大量的理论知识、先进的计算工具和准确的实验数据，这都增加了研究的难度。 二、 铁路桥梁动力特性的理论基础 理解铁路桥梁的动力特性，首先需要掌握相关的理论基础。这包括但不限于： 1. 振动力学基础： 掌握单自由度、多自由度系统的振动方程、自由振动、受迫振动、阻尼振动、共振等基本概念。理解结构物的固有频率和振型，以及它们在动力响应中的作用。铁路桥梁作为一种复杂的弹性体，其振动行为可以用多自由度系统来近似描述。 2. 弹性力学与结构动力学： 深入理解材料的弹性行为、应力与应变的关系。掌握梁、板、壳等结构构件在动力荷载下的弯曲、剪切、扭转等响应。熟悉有限元方法（FEM）等数值分析技术，这是目前分析复杂结构动力响应最常用的方法。有限元方法能够将连续的结构离散化为有限个单元，从而建立起描述整体结构动力行为的方程组。 3. 材料力学与疲劳分析： 了解材料在循环荷载作用下的性能退化，即疲劳现象。掌握疲劳寿命的预测方法，如Miner法则等。铁路桥梁长期承受反复的列车荷载，疲劳损伤是影响其使用寿命的关键因素之一。 4. 系统辨识与模型修正： 掌握从实测数据中识别结构动力特性（如固有频率、阻尼比、振型）的方法。通过实测数据来修正和优化理论模型，提高模型的准确性，这对于精准预测桥梁动力响应至关重要。 三、 列车-桥梁耦合动力学模型 列车与桥梁的相互作用是铁路桥梁动力学研究的核心。一个准确的耦合动力学模型能够全面反映列车在桥梁上运动时产生的动力效应。 1. 列车动力学模型： 列车并非一个刚体，而是由多个轮对、车体、悬挂系统等组成的复杂系统。准确的列车动力学模型需要考虑： 车辆动力学： 轮轨相互作用（粘着、滑动、弹跳）、车辆的垂向、横向、纵向运动，以及车体的振动。 悬挂系统： 一系和二系悬挂的非线性特性。 轮轨关系： 采用合适的轮轨接触模型，如Hertz接触模型，考虑接触刚度和阻尼。 轨道不平顺： 轨道不平顺是激发车辆振动的重要因素，其谱密度和幅值会显著影响列车动力响应，进而影响桥梁响应。 2. 桥梁动力学模型： 桥梁的动力学模型通常基于结构动力学理论，并采用有限元方法建立： 结构离散化： 将桥梁梁体、墩台、基础等离散为有限个节点和单元。 动力方程建立： 根据质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵，建立结构的动力方程。 边界条件： 准确考虑桥梁与基础之间的连接方式，以及基础的动力特性。 材料非线性： 在必要时，考虑材料的非线性行为，例如混凝土开裂、钢材屈服等。 3. 耦合模型： 将列车和桥梁的动力学模型进行耦合，以反映它们之间的相互作用。这种耦合通常通过轮轨接触点实现： 轮轨接触点： 列车轮对的位移和速度会直接作用于桥梁结构，而桥梁的变形和振动也会反作用于轮对，改变轮轨接触的力。 求解方法： 耦合系统的动力方程通常采用时间积分方法求解，例如Newmark方法、HHT方法等。 四、 铁路桥梁动力响应分析 基于建立的动力学模型，可以对铁路桥梁在列车动力作用下的响应进行详细分析。 1. 振动响应： 频率响应： 分析桥梁在不同频率荷载下的响应幅度，识别共振发生的可能性。 位移响应： 预测桥梁关键部位的最大挠度和动态位移。 速度与加速度响应： 分析桥梁的振动速度和加速度，这对于评估舒适度、监测结构损伤非常重要。 2. 冲击效应： 随着列车速度的提高，以及轨道不平顺的存在，列车与桥梁之间可能产生显著的冲击效应，导致结构应力瞬时增大。 3. 疲劳损伤： 应力幅统计： 记录列车运行过程中桥梁关键部位的应力幅分布。 疲劳寿命预测： 运用疲劳损伤累积理论，结合材料的S-N曲线，预测桥梁构件的疲劳寿命。 损伤评估： 评估不同运行载荷组合（如不同速度、不同类型列车）对桥梁疲劳寿命的影响。 4. 动力放大系数（Dynamic Amplification Factor, DAF）： 定义为结构在动态荷载作用下的最大响应与在相同荷载的静力作用下的最大响应之比。分析DAF随速度、频率、阻尼比等因素的变化规律。 5. 舒适度评估： 对于客运铁路桥梁，列车上的乘客舒适度是重要的考虑因素。分析桥梁的振动加速度，并将其与相关的舒适度标准进行比较。 五、 影响铁路桥梁动力特性的关键因素 铁路桥梁的动力特性受到多种因素的影响，理解这些因素对于进行准确预测和有效控制至关重要。 1. 列车参数： 列车速度： 速度是影响动力响应最主要的因素之一。速度提高会导致荷载频率增大，动力效应显著增强。 列车轴重与轴距： 轴重决定了作用在轨道上的力的大小，轴距则影响了荷载的空间分布。 列车车型与编组： 不同车型（如动车组、货运列车）的动力特性不同，编组方式也会影响荷载的空间和时间变化。 车辆悬挂特性： 车辆的悬挂系统对输入到轨道和桥梁的动荷载起着重要的滤波作用。 2. 轨道参数： 轨道不平顺： 轨道不平顺的幅值、波长谱密度，是激发车辆和桥梁振动的主要源头。 轨道结构： 轨枕、道砟、扣件等轨道的动力特性也会对列车-桥梁耦合系统产生影响。 轨道阻尼： 轨道结构本身具有一定的阻尼，对振动的衰减有贡献。 3. 桥梁结构参数： 结构自重与刚度： 桥梁的自重和整体刚度决定了其固有频率和模态振型。 阻尼： 结构阻尼对于抑制振动幅度和加速振动衰减至关重要，但通常比理论值小。 跨度与形式： 不同跨度、不同形式的桥梁（如梁桥、斜拉桥、悬索桥）其动力特性差异很大。 材料性能： 材料的动力弹性模量、阻尼特性等。 4. 环境因素： 风荷载： 特别是对于大跨度桥梁，风荷载可能与列车荷载产生不利的叠加效应。 地震作用： 地震是重要的动力灾害，桥梁在地震作用下的动力响应需要单独研究。 温度变化： 温度变化会引起桥梁结构的变形和应力，在某些情况下也可能与动力效应相互影响。 六、 铁路桥梁动力设计与评估方法 铁路桥梁动力学研究的最终目的是指导桥梁的设计和评估，以确保其长期安全可靠。 1. 动力设计原则： 避免共振： 确保桥梁的固有频率与列车荷载激励频率错开，避免发生共振。 控制振动幅值： 通过合理的结构设计、增加阻尼等手段，将桥梁的振动响应控制在允许范围内。 考虑疲劳寿命： 在设计阶段就充分考虑列车运行可能造成的疲劳损伤，选择合适的材料和设计参数，保证桥梁达到设计使用年限。 满足舒适度要求： 对于客运线路，需按标准控制桥梁的振动加速度。 2. 动力分析方法： 解析方法： 对于简单的结构和荷载，可以使用解析方法求解动力方程。 数值方法： 主要采用有限元方法（FEM）进行建模和分析，包括瞬态动力分析、模态分析、谐响应分析等。 多体动力学（MBD）： 用于精确模拟复杂列车系统的动力行为。 耦合分析： 采用列车-桥梁耦合动力学模型进行综合分析。 3. 评估与监测： 静动力荷载测试： 在桥梁建成后，进行静力荷载和动力荷载试验，以验证设计模型的准确性，并获取实际的动力特性参数。 结构健康监测（SHM）： 部署传感器（如加速度计、应变计）对桥梁运行状态进行实时监测，及时发现异常，为桥梁的维护和评估提供依据。 损伤诊断： 基于监测数据，利用动力学方法诊断结构损伤的位置和程度。 七、 前沿研究方向与未来展望 铁路桥梁动力学领域仍在不断发展，一些前沿研究方向值得关注： 1. 高速列车与桥梁的非线性耦合动力学： 随着列车速度的进一步提升，轮轨接触的非线性、材料的非线性以及结构的大变形等效应将更加显著，需要更精细的非线性动力学模型。 2. 智能材料与减振技术： 研究利用智能材料（如压电陶瓷、磁流变阻尼器）主动或被动地控制桥梁的振动。 3. 轨道-车辆-桥梁一体化设计与优化： 将列车、轨道和桥梁视为一个整体系统进行优化设计，以达到整体性能的最优。 4. 机器学习与大数据在桥梁健康监测中的应用： 利用机器学习算法分析海量的监测数据，实现对桥梁状态的智能诊断和预测。 5. 新型高速度铁路桥梁设计理论： 针对超高速列车，需要发展全新的设计理念和动力学理论。 总之，铁路桥梁动力学是一个融合了力学、工程学、计算科学等多学科的复杂领域。深入研究铁路桥梁的动力特性，建立精确的动力学模型，进行严谨的响应分析，是确保铁路交通安全、高效、可持续发展的基石。随着科技的进步和计算能力的提升，该领域的研究将不断深化，为建设更安全、更可靠、更先进的铁路桥梁提供坚实的理论支撑和技术保障。

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