1、1综述列车-桥梁系统共振研究现状及预防系统共振的措施与手段摘要: 对国内外车桥耦合振动问题的研究历史进行了回顾，评述了车桥报合振动间题的研究现状和最新进展。并对车桥藕合振动问题普遍存在的难点或进一步需要研究的方向进行了概括。以及分析了2预防高速列车-桥梁系统共振的措施与手段。一、列车-桥梁系统共振研究现状1 背景和意义列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动, 而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动, 这种相互作用、相互影响的问题就是车辆与桥梁之间的振动祸合问题。自从1 8 2 5 年有了第一条铁路, 人类就开始了列车与桥梁相互作用的研究。在二十世纪60 年代以前, 对于铁路桥梁振动的研究主要集中在简单
2、移动荷载作用下的解析方法。计算机的出现和有限元法的应用, 使得建立复杂的列车桥梁分析模型成为可能, 从而使该方面的研究达到一个全新的起点。多年来列车桥梁振动的研究表明了这一问题的复杂性和困难性。随着高速铁路在世界各国的广泛修建和我国铁路的几次提速, 列车高速过桥引起桥梁振动与低速情况有很大不同, 因此, 车桥动力分析问题也越来越吸引更多桥梁界人士的关注。2 车桥振动问题的研究概况2.1 车桥振动的研究现状50 年代有限元法问世以来, 随着计算机在工程中的广泛应用，车桥系统动力仿真研究也取得了长足的进步, 从车桥系统的学模型、激励源的模拟到研究方法和计算手段等都有了质的飞跃。人们可以建立比较真实
3、的车辆和桥梁计算模型, 然后用数值模拟法计算车辆和桥梁系统的藕合振动影响。美国、日本、欧洲和国内诸多学者为车桥系统动力学理论的发展做出了重要贡，在车辆模3型、桥梁模型以及车桥系统祸合振动上取得了不少进展。2.2 国外的研究现状6 0 、7 0 年代, 日本在修建本四联络线时, 对车桥振动响应做了大量的理论研究、试验研究和现场测试工作。他们在理论分析及模型试验中考虑了蒸汽机车锤击、车辆弹簧、车辆运动特性以及多种轨道不平顺的影响, 得出了计算桥梁动力冲击系数的半经验半理论公式。同时, 通过分析轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数和车体加速度来研究列车走行性, 通过确定桥梁挠度和轨道折角的允许限值来保证
4、列车的舒适性与安全性要求, 并对桥梁的竖向、横向刚度做出了相应的规定。欧洲的法国、意大利、丹麦等国研究者也进行了类似的甚至更深人的研究工作。G.Di an a 等对车一轨及车桥系统的动力特性进行了大量的研究, 并建立了响应的模型, 同时考虑了建立在支撑物之上的车辆一轨道模型, 这对研究车一线一桥系统的动力特性具有一定的借鉴意义; G r e e n 和Ceb o n 提出了在频域内求解分离的车桥系统方程的新方法, 他们利用模态脉冲响应函数与模态激扰力, 采用模态迭加法并结合F FT 和IFFT 技术来求解桥梁的动力响应:Y eo n g-Bi n Y a n g 采用动态凝聚法求解车桥系统的动
5、力响应问题, 由于将所有与车体有关的自由度在单元级进行凝聚, 使得计算效率大为提高; B o g a e rt 采用简化的车辆模型, 研究高速列车通过肋式拱桥的竖向振动冲击效应, 并给出了冲击系数的简化表达式。2.3 国内的研究现状4在理论上, 我国学者也进行了大量的研究工作,目前, 随着我国高速铁路可行性研究工作的进行, 对这一课题又进行了深化研究, 以适应高速运输的实际需要。李乔教授等对高速铁路曲线梁桥的车桥振动进行了深人研究。提出了基于激励非线性振动的一种逐步积分法闭, 在计算中应用了求解非线性振动的N e w m ar k 预测一校正法 , 即在每一时段里预测桥梁的位移、速度、加速度和
6、车桥系统的藕合力, 此时车桥系统的位移条件是协调的, 以此作为迭代的开始进行计算, 从而减少了迭代次数, 他们针对4 轴客车建立了 35 个自由度(车体、转向架和4 个轮对各5 个自由度 )的车辆曲线桥梁模型, 研究了曲线半径、曲线超高等因素对车桥动力响应的影响, 对高速铁路中小跨度曲线桥梁的刚度限值提出了建议。北方交通大学夏禾教授、阎贵平教授等研究了考虑车一桥一墩一基础相互作用系统的结构动力可靠性问题、桥梁结构在多种随机荷载作用下车桥系统动力可靠性问题、脉动风与列车荷载同时作用下桥梁的动力响应问题, 分析了地展荷载对桥上列车运行平稳性的影响, 得到了许多有价值的结论。上海铁道学院曹雪琴教授等
7、对钢析梁桥的车激横向振动进行了大量的现场实测与分析, 得到许多有价值的研究成果。二、预防高速列车-桥梁系统共振的措施与手段列车过桥时，由于桥梁所受的荷载(即轮轨力) 是随时间呈周期性变化，因此，在某特定车速下特别是较高车速时桥梁可能发生共振。共振时桥梁将产生较大的动力响应，可能影响列车的运行安全5性、乘坐舒适性以及桥梁自身的使用寿命，故研究如何利用控制装置来有效降低桥梁的共振响应就显得十分重要。调谐质量阻尼器(TMD)由于在结构、体积和安装上的方便性，在桥梁抗风、抗地震方面应用较多，而将其用于控制车辆引起的桥梁振动研究还不多。根据我参考的TMD 对高速列车通过简支箱梁桥时可以将车辆-桥梁-TM
8、D 视为整体系统，桥梁采用有限单元模拟，高速列车、TMD 均采用由弹簧阻尼器相连的多刚体模拟，提出一种易于计算机实施的方法，直接建立车-桥-TMD 时变系统运动方程，采用数值积分方法求解系统空间动力响应，并编制了相应的计算程序。以在德国ICE3 高速列车作用下的某变截面40m 简支箱梁为例，分别采用两种优化准则，根据桥梁基础频率和振型确定TMD 参数，研究了TMD 对共振车速下桥梁竖向振动的控制效果研究了用TM D 抑制铁路桥梁的竖向共振, 结果表明是很有效的。结构振动控制方法有主动控制和被动控制之分, 由于主动控制中有许多问题尚未解决, 所以一般采用被动控制。结构共振控制的原理无非是如何修改
9、结构质量、阻尼、刚度或外力。但由于桥梁强度、变形条件、行车条件的限制, 改变桥梁质量、刚度或外力未必总是可能的。TMD 是解决这一难题的方法之一, 不附加太多质量而能增加结构阻尼。T MD 是1909 年由Fr ahm 发明的一种吸振器, 它具有经济、方便、抑制窄带振动效果显著的优点, 几十年来在机械、土木、航空航天、船舶、化工工程等众多领域获得了广泛应用。其原理是把T MD ( 包括质量块、并联的弹簧和阻尼器) 连接到主结6构上, 通过惯性质量与主结构控制振型谐振将主结构的能量转移到TMD, 从而抑制主结构的振动。其有效性依靠于准确调频。它用于桥梁结构的优势在于可以耗散桥梁的振动能量而又不需
10、与大地连接。经对TMD-车桥系统进行分析, 研究结果表明应用T MD 后, 在特定频率范围内的激励下桥梁振幅大大减小。参考文献：1满洪高，袁向荣.车桥藕合振动问题的发展进程与研究现状.铁道工程学报， 2001，6.2木标，李建中，梁志广. 高速铁路简支梁桥的竖向共振现象J.工程力学，2001，10：84-94.3杨宜谦，张锻.用调频质量阻尼器抑制铁路桥梁竖向共振的研究J.中国铁道科学，1998，3(1)：12-18.4路萍. 高速列车通过桥梁时的变速效应和振动控制研究D. 长沙：中南大学，20085路萍，郭文华. TMD 对高速列车通过连续刚构桥时的振动控制研究 J.中国水运，2008，8(1)：157-159.6丁文镜.减振理论M. 北京:清华大学出版社,1988.
