关于高铁列车-桥梁系统的动力相互作用的理论研究和应用外文翻译资料

英语原文共 30 页

翻译者:王滔

指导教师：孙亮明 老师

专业名称：土木卓越工程师

作者：He Xia

Na Zhang

Weiwei Guo[1]

2019年4月15日

毕业设计文献翻译

[关于高铁列车-桥梁系统的动力相互作用的理论研究和应用]

理论与应用]

[武汉理工大学]

目录

1.3铁路桥梁振动问题 1

1.3.1风荷载引起的振动 2

1.3.2地震作用引起的桥梁振动 5

1.3.3船舶、车辆和漂浮物碰撞引起的桥梁振动 8

1.3.4人群负荷引起的桥梁振动 13

1.3.5列车运行引起的桥梁振动 15

1.4列车 - 桥梁耦合振动的研究历史与现状：概述 17

1.4.1移动列车下铁路桥梁振动研究 17

1.5列车 - 桥梁耦合振动的研究内容 18

1.6列车 - 桥梁系统动力分析方法 21

1.6.1列车 - 桥梁耦合系统动态分析方法 22

1.6.2列车 - 桥梁系统的运动方程和解 24

这些分析，最初是针对于秦沈高铁和京沪高铁的桥梁建造，后来先后应用于京津，武广，郑西，石太，沪杭，北石，石武等高铁的桥梁设计，为这些高铁桥梁的动态设计提供了依据。

近年来，随着我国高速铁路的快速发展，CARS[2]和三所大学对合南、京津、合武、武广、石太、京沪等高铁线的40多座桥梁进行了一系列现场测试，包含了超过21种梁型和100多个大跨度类型。测量数据表明我国高铁的桥梁的动态性能良好，验证了列车桥梁动力分析的仿真方法是有效的。这些实验对于高速、加速铁路桥梁的设计和施工，动态评估，结构改造和加固，以及进一步改进分析理论和计算方法具有重要的理论和实践意义。 可以说，我国轨道桥梁动力相互作用的分析理论和方法已处于世界顶级水平，这些研究成果为我国的现代化做出了巨大贡献，并将在未来发挥出更大的作用。

1.3铁路桥梁振动问题

随着科学技术的不断发展和高性能材料的广泛应用、桥梁跨度的不断增加、列车速度和车辆载荷的不断增加，桥梁振动问题日益突出。

桥梁的振动过大可能会增加结构的内力，导致构件的局部疲劳损坏，产生桥面的振动变形和加速度，进而影响桥上车辆的行驶安全性和乘坐舒适性，甚至在严重的情况下完全摧毁这座桥。因此，桥梁振动是影响交通基础设施安全和正常运行的重要因素之一，近年来受到越来越多专业人士的关注。

桥梁的振动问题可分为两大类，进而可细分为五种类型，具体分类见图1.11。

在第一类中，桥梁振动是由风力，地震作用以及船舶，车辆和浮动物体的碰撞引起的，属于由外部载荷引起的振动。

在第二类中，桥梁振动是由行驶的车辆或移动的人群引起的，这属于桥梁 - 载荷相互作用的问题。由于这种振动在桥梁正常运行过程中是不可避免的，因此研究列车 - 桥梁或人行天桥系统的耦合振动是研究桥梁振动问题的核心问题。

图1.11桥梁的振动类型

对于铁路桥梁，第二类振动可以与第一类振动同时发生，因此经受风荷载，地震作用和各种碰撞载荷的耦合列车 - 桥梁系统的振动的组合案例的动态分析，使问题变得更加复杂。

1.3.1风荷载引起的振动

风是具有一定速度的气流。当气流受到结构阻碍时，将形成高压气帘，并且风速越大，结构上的压力越高。如果抗风设计不足，结构可能会产生过大的变形和振动，危及其正常运行，产生影响其强度的局部失效，甚至坍塌。

关于风引起的桥梁动力作用的研究很早就开始了。 1759年，一位名叫John Smitten的英国工程师建议在结构设计时应考虑风压，并首次引入风荷载的概念。然而，那时，关于风压的知识非常有限。 1879年12月28日，苏格兰的Tay Rail的一座铁路桥梁受到了猛烈风暴袭击，在风荷载强度达到峰值时，大桥的跨中发生倒塌，从而导致了载有七十五名乘客和机组人员的六节火车车厢坠入冰冷的河水中。 （图1.12）。随后的调查显示，该桥的抗风强度仅为应有强度的1/12。在这次严重事故发生后，人们高度重视风荷载效应，开始研究风压，并将其用于桥梁设计。

然而，风对结构的影响被认为是相当长时间的风压的静态作用。 1940年秋天，华盛顿州851.2米跨度的塔科马海峡大桥在建成后仅几个月后，在速度低于20米/秒的阵风下坍塌（图1,13），这一事件震撼了桥梁工程领域。随后的研究表明，这次事故是由于空气动力学的不稳定性导致的。这使人们认识到风荷载对结构的另一种影响，即风致振动。

图1.12、由风荷载引起的苏格兰泰铁路桥事故（维基百科2016）

图1.13美国塔科马海峡大桥的风致事故（chiuphysics.cgu 2011）

表1.6受风暴破坏的悬索桥

在调查塔科马大桥事故期间，人们惊讶地发现，自1818年以来，欧洲和北美已经有10座吊桥由于强风而导致倒塌（表1.6）。而且，所有事故都显而易见都含有风致振动特征的因素在内。但是，当时的科学技术还不足以将这个问题弄清楚，只能依靠经验进行设计。在塔科马大桥事故的推动下，桥梁工程师开始与空气动力学专家密切合作，致力于研究桥梁的风振。渐渐地，在桥梁工程领域形成了一个新的前沿分支，即桥梁风工程。

风致桥梁振动是一个复杂的空气动力学问题。过去，学界对桥梁抗风性能的关注较少，主要是因为风荷载在中小跨度桥梁的设计中的控制作用并不明显。如今，由于经济的发展、桥梁建设技术的进步和新材料的问世，世界上出现了许多大跨度桥梁类型，如悬索桥和斜拉桥。随着桥梁跨度越来越大、柔度越来越大，导致其自然振动周期可以达到数十秒之多。大跨度桥梁具有轻便灵活，易受风力影响的特点。因此，如何控制风致振动已成为桥梁设计的首要问题。例如，1951年在金门大桥上进行的一次测量报告称，在疾风至清风的1/4跨度上，最大振幅为1.7米。众所周知，风致振动不仅对桥梁结构的疲劳寿命有害，而且对桥上的行人和车辆的安全也有影响。

1986年12月28日下午1点25分左右，一列14节的日本火车在310米长的Amarube高架桥上以55公里/小时的速度行驶，突然被来自日本海的大风袭击。桥面上的瞬时风速约为33米/秒。火车列中的七节车厢都被吹下高架桥，大风造成了的严重的列车倾覆事故。

2005年12月25日下午7:15，当一辆“Inaho 14”E653-1000系列动车组在山形地区的Mogami河2号大桥附近以100公里/小时的速度行驶时，车身由于强风而产生大幅震动，导致六节车厢脱轨。据统计，此次事故造成了5名乘客死亡，另有33人受伤。现场的最高瞬时风速超过20米/秒。

风致振动，也称为空气动力学作用，是由随机阵风的湍流引起的结构振动，通常在发生在野外。一些风致振动一旦形成，可能导致桥损坏，而另一些虽然不会立即损坏结构，但可能导致诸如构件或接头疲劳以及客运服务不舒适等问题。

风致桥梁振动的机理很复杂，大致可分为两类：一种是发散振动，包括流线型桥面板的典型颤振，非流线型甲板的扭转分离的流动颤振，矩形截面桥塔的摆动，以及吊杆和缆索的涡旋引起的振动。发散振动甚至可能引起空气动力不稳定甚至桥梁的风毁事故，因此必须通过基于风洞试验的截面形状优化、风整流设计和导板设置等措施来避免。在给定的保证概率下（通常高于20％），设计桥梁的临界风速应远高于最大可能的最大风速。

另一种是振幅受限振动，一种由波动引起的强迫振动，包括涡振和抖振。在低风速下经常发生的桥梁振动，在构件接头或轴承处容易产生局部疲劳。特别是过度振动会直接影响列车在桥上的运行安全;因此，振动幅度应控制在桥梁设计的可接受范围内。

当大跨度铁路桥建在风力较大的区域时，由于空气动力学效应，桥梁容易受到相当大的振动，并且由于其柔度较大可能引起大的变形和振动，严重影响桥梁的结构安全性、桥梁和列车车辆的行驶安全性和乘坐舒适性；另一方面，受风作用的车辆可能改变其固有的振动特性，因此，在横跨大风河流，河谷或海峡的大跨度桥梁上进行安全性分析时，应考虑风荷载的影响。

1.3.2地震作用引起的桥梁振动

地震是一种具有爆发性和高度破坏性的自然灾害，是桥梁工程中与洪水和飓风并列的三大威胁之一。世界各地每年发生的里氏7级地震次数超过10次，给人们的生命和财产带来巨大的破坏和损失。Dong 等人（2009）调查了66个国家的502次桥梁坍塌事故，结果显示119次事故是由地震导致的，占总数的23.7％（图1J4）。因此，近年来桥梁抗震设计得到越来越多的关注和发展。

抗震工程是减轻地震造成的人员生命和财产损失的主要方法。自第二次世界大战结束以来，抗震工程在理论和实践上都得到了极大的发展。现在桥梁，建筑物和其他工程结构的抗震计算，已经从简单的静态方法发展到地震波输入的动态响应分析，并且还会考虑地基与地基之间的相互作用。

图1.14 66个国家桥梁502次坍塌事故统计（Dong 等人 2009）

图1.15北岭大地震中的桥梁坍塌（Cooper等，1994）

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