CN115618686B - 一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法，包括以下步骤：建立大跨度铁路桥梁的模型，并在有限元分析软件中计算模型在不同载荷下的载荷波形；S2：对载荷波形进行滤波，得到波长λ≥200m的波形A和波长λ＜200m的波形B，计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a1及波形B引起的列车车体的振动加速度a2；计算列车车体的总加速度a；将总加速度a与加速度的响应限值a0进行比较，对大跨度铁路桥梁刚度进行评估。本发明从列车行车平稳性角度考虑大跨度铁路桥梁的刚度，评估当前桥梁设计方案在不同荷载及荷载组合工况下是否满足行车平稳性要求，还结合时频特性分析，可以明确大跨度铁路桥梁刚度控制的关键位置。

Description

一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法
技术领域
本发明涉及桥梁安全评估计算领域，具体涉及一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法。
背景技术
为适用我国经济建设的发展需求，高速铁路桥梁向更大跨度、更为复杂结构形式发展，近年来，我国已经规划了诸多主跨超千米级的公铁两用桥梁。
大跨度铁路桥梁具有体系复杂、结构轻柔和位移量大等特点，受温度、风、桥墩沉降、材料收缩形变等荷载影响显著，同时大跨度铁路桥梁荷载组合多种多样。为保障桥上高速列车具有良好的行车平稳性，大跨度铁路桥梁需开展桥梁刚度设计。目前大跨度铁路桥梁缺乏适用性的刚度标准，较为常用的刚度评估方法需基于车-桥耦合动力仿真，该分析方法所需程序复杂、步骤繁琐、时耗巨大，其评估效率较低，无法有效开展大跨度铁路桥梁在复杂荷载及荷载组合下的刚度控制。
因此，如何准确、合理并且快速地评估大跨度桥梁受载线形对列车行车平稳性的影响，并实现桥梁刚度的有效控制，提高大桥运营管理人员的工作效率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能快速评估大跨度铁路桥梁受载波形对高速列车行车平稳性影响的方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法，其包括以下步骤：
S1：建立大跨度铁路桥梁的模型，并在有限元分析软件中计算模型在不同载荷下的载荷波形；
S2：对载荷波形进行滤波，并对不同波长条件下的动力进行仿真，得到列车不产生车体振动加速度时的临界波长X，得到波长λ≥X的波形A和波长λ＜X的波形B，计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a2及波形B的弦测幅值A1；
S3：采用小波分析法对波形B进行时频特性分析，获取桥梁敏感里程位置的波长及波幅特性，并将最大波幅对应的波长作为卓越波长λ1，统计波形B不同波长下的弦测幅值与对应的列车车体振动加速度间的比值r(λ)；
S4：遍历不同波长对应的所有比值r(λ)，获取卓越波长λ1对应的比值r(λ1)，并利用弦测幅值A1计算列车车体对应的振动加速度a1：a1＝A1/r(λ1)；
S5：将波形B引起的列车车体的振动加速度a2与波形A引起的列车车体的离心加速度a1进行叠加，得到列车车体的总加速度a：a＝a1+a2；
S6：将总加速度a与加速度的响应限值a0进行比较，对大跨度铁路桥梁刚度进行评估：
若a≤a0，则桥梁刚度满足行车平稳性要求；
若a＞a0，则桥梁刚度不满足行车平稳性要求。
进一步地，步骤S2包括：
S21：对载荷波形通过傅里叶变换进行滤波，并对不同波长条件下的动力进行仿真，得到列车不产生车体振动加速度时的临界波长X，得到波长λ≥X的波形A和波长λ＜X的波形B；
S22：计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a2：其中V为列车的行车速度，R为波形A的曲率半径；
S23：以固定弦长选取波形B中一个1/2波形的任意两点，测量两点间的中点到固定弦长的矢距，矢距作为该中点处的弦测幅值A1，
S24：重复步骤S23，测量波形B中所有1/2波形的弦测幅值A1，得到弦测幅值曲线。
进一步地，步骤S3包括：
S31：采用小波分析法对波形B进行时频特性分析，获取桥梁敏感里程位置的波长及波幅特性，并将最大波幅对应的波长作为卓越波长λ1；
S32：基于列车车体的动力学模型，预设不同波长的余弦波形作为不平顺激励，计算列车的动力响应，获取列车车体的振动加速度a1'；
S33：采用中点弦测法计算预设的余弦波形的弦测幅值A2，统计不同预设波长条件下弦测幅值A2与车体振动加速度a1'间的比值r(λ)。
本发明的有益效果为：本发明从列车行车平稳性角度考虑大跨度铁路桥梁的刚度，不仅评估了当前桥梁设计方案在不同荷载及荷载组合工况下是否满足行车平稳性要求，同时还结合时频特性分析，可以明确大跨度铁路桥梁刚度控制的关键位置，为大跨度铁路桥梁刚度控制提供一种新理念、新方法。本发明能对大跨度桥梁的刚度是否满足行车平稳性要求进行综合评价，评价方法相对于现有技术更加快速和方便，评估效率高，能实现桥梁刚度的有效控制，提高大桥运营管理人员的工作效率。
附图说明
图1为基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法的流程示意图；
图2为大跨度桥梁在混凝土收缩形变荷载作用下的桥梁竖向波形；
图3为波长≥200m的波形引起的车体离心加速度波形及；
图4为波长＜200m的波形通过60m弦长中点弦测法得到弦测幅值图；
图5为基于小波分析方法确定的在桥梁敏感里程100～200mm范围内的时频特性图；
图6为基于列车动力模型确定的，卓越波长等于105m对应的车体振动加速度与弦测幅值的相关系数比值图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法包括以下步骤：
S1：建立大跨度铁路桥梁的模型，并在有限元分析软件中计算模型在不同载荷下的载荷波形；可以采用桥梁有限元分析软件，建立大跨度铁路桥梁的模型，施加荷载，计算不同荷载及荷载组合工况下的桥梁主梁线形，如图2所示。
S2：对载荷波形进行滤波，得到波长λ≥200m的波形A和波长λ＜200m的波形B，计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a2及波形B的弦测幅值A1；
步骤S2包括：
S21：对载荷波形通过傅里叶变换进行滤波，并对不同波长条件下的动力进行仿真，得到列车不产生车体振动加速度时的临界波长X，本实施例中，临界波长X为200m，得到波长λ≥200m的波形A和波长λ＜200m的波形B；
S22：计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a2：其中V为列车的行车速度，R为波形A的曲率半径，如图3所示；
S23：以固定弦长选取波形B中一个1/2波形的任意两点，测量两点间的中点到固定弦长的矢距，矢距作为该中点处的弦测幅值A1；
S24：重复步骤S23，测量波形B中所有1/2波形的弦测幅值A1，得到弦测幅值曲线，得到弦测幅值曲线如图4所示。
S3：采用小波分析法对波形B进行时频特性分析，获取桥梁敏感里程位置的波长及波幅特性，并将最大波幅对应的波长作为卓越波长λ1，统计波形B不同波长下的弦测幅值与对应的列车车体振动加速度间的比值r(λ)；
步骤S3包括：
S31：采用小波分析法对波形B进行时频特性分析，获取桥梁敏感里程位置的波长及波幅特性，并将最大波幅对应的波长作为卓越波长λ1，如图5所示；小波分析法对波形B进行时频特性分析时，时频特性包含了波长和波幅。
S32：基于列车车体的动力学模型，预设不同波长的余弦波形作为不平顺激励，计算列车的动力响应，获取列车车体的振动加速度a1'；
S33：采用中点弦测法计算预设的余弦波形的弦测幅值A2，统计不同预设波长条件下弦测幅值A2与车体振动加速度a1'间的比值r(λ)，如图6所示。
S4：遍历不同波长对应的所有比值r(λ)，获取卓越波长λ1对应的比值r(λ1)，并利用弦测幅值A1计算列车车体对应的振动加速度a1：a1＝A1/r(λ1)；
S5：将波形B引起的列车车体的振动加速度a2与波形A引起的列车车体的离心加速度a1进行叠加，得到列车车体的总加速度a：a＝a1+a2；
S6：将总加速度a与加速度的响应限值a0进行比较，对大跨度铁路桥梁刚度进行评估：
若a≤a0，则桥梁刚度满足行车平稳性要求；
若a＞a0，则桥梁刚度不满足行车平稳性要求。
本发明从列车行车平稳性角度考虑大跨度铁路桥梁的刚度，不仅评估了当前桥梁设计方案在不同荷载及荷载组合工况下是否满足行车平稳性要求，同时还结合时频特性分析，可以明确大跨度铁路桥梁刚度控制的关键位置，为大跨度铁路桥梁刚度控制提供一种新理念、新方法。本发明能对大跨度桥梁的刚度是否满足行车平稳性要求进行综合评价，评价方法相对于现有技术更加快速和方便，评估效率高，能实现桥梁刚度的有效控制，提高大桥运营管理人员的工作效率。

Claims (1)

1.一种基于行车平稳性的大跨度铁路桥梁刚度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立大跨度铁路桥梁的模型，并在有限元分析软件中计算模型在不同载荷下的载荷波形；
S2：对载荷波形进行滤波，并对不同波长条件下的动力进行仿真，得到列车不产生车体振动加速度时的临界波长X，得到波长λ≥X的波形A和波长λ＜X的波形B，计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a2及波形B的弦测幅值A1；
S3：采用小波分析法对波形B进行时频特性分析，获取桥梁敏感里程位置的波长及波幅特性，并将最大波幅对应的波长作为卓越波长λ1，统计波形B不同波长下的弦测幅值与对应的列车车体振动加速度间的比值r(λ)；
S4：遍历不同波长对应的所有比值r(λ)，获取卓越波长λ1对应的比值r(λ1)，并利用弦测幅值A1计算列车车体对应的振动加速度a1：a1＝A1/r(λ1)；
S5：将波形B引起的列车车体的振动加速度a2与波形A引起的列车车体的离心加速度a1进行叠加，得到列车车体的总加速度a：a＝a1+a2；
S6：将总加速度a与加速度的响应限值a0进行比较，对大跨度铁路桥梁刚度进行评估：
若a≤a0，则桥梁刚度满足行车平稳性要求；
若a＞a0，则桥梁刚度不满足行车平稳性要求；
所述步骤S2包括：
S21：对载荷波形通过傅里叶变换进行滤波，并对不同波长条件下的动力进行仿真，得到列车不产生车体振动加速度时的临界波长X，得到波长λ≥X的波形A和波长λ＜X的波形B；
S22：计算波形A对应的载荷使列车车体产生的离心加速度a2：其中V为列车的行车速度，R为波形A的曲率半径；
S23：以固定弦长选取波形B中一个1/2波形的任意两点，测量两点间的中点到固定弦长的矢距，矢距作为该中点处的弦测幅值A1；
S24：重复步骤S23，测量波形B中所有1/2波形的弦测幅值A1，得到弦测幅值曲线；
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