进站人行天桥在正线列车复杂激励下的性态研究及其控制

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进站人行天桥作为旅客分流、保障人员进站安全的一项基础设施,在铁路客运交通中起着举足轻重的作用。由于其跨度大、自身柔等特点,当正线列车在天桥下方通过时,由于受到列车高速运行时所产生的列车风荷载和地基振动的强烈作用,进站人行天桥振动非常明显,严重影响其安全性、舒适性和耐久性,此外列车的频繁运行对它的反复加载作用也会影响其服役寿命。鉴于此类桥梁已经建成,如果能采用一定的方法或技术手段抑制由于正线列车高速通过时所产生的大幅振动并保证其舒适性和延长其服役时间,这对于保证进站人行天桥的正常使用和特大事故的预防,具有一定的经济价值和社会价值。由此可见,研究正线列车高速通过进站人行天桥下方所产生的动力响应及其抑制手段、增加其舒适性和延长服役时间对于保证结构自身安全和正常使用,减轻国民经济损失和人员伤亡十分必要。  基于此,本文以株州西站进站人行天桥为工程背景,采用理论与实践相结合的研究思路,对正线列车高速通过进站人行天桥时的荷载模拟、动力响应分析、进站人行天桥舒适性和耐久性的评价以及振动控制方法进行了深入系统的研究。本文主要研究内容及结论为:  (1)以三维不可压缩的雷诺时均方程RANS和RNG k两方程湍流模型为基础,利用CFD前处理软件GAMBIT建立包含高速列车、跨线天桥、站台等关键研究目标的计算模型并划分网格。通过大型商用CFD软件FLUENT实现高速列车运行的三维动态模拟,分析出高速列车通过时引起的瞬态列车风风场特性及作用在相关结构上的风荷载效应。  (2)以轨道不平顺为激励,利用已有的列车—轨道系统耦合动力学分析二维模型,并结合通用有限元分析软件 ANSYS建立的轨道—枕木—大地三维有限元振动波传递模型,获取作用在进站人行天桥桥墩上的环境振动波时程曲线,以此作为环境振动荷载来分析进站人行天桥的动力响应。  (3)同时考虑列车风荷载和环境振动荷载两因素的影响,推导出在列车风荷载和环境振动荷载作用下的进站人行天桥的非一致激励分析的运动学方程。并对该桥的动力响应进行分析,同时与不考虑环境振动情况下的进站人行天桥的动力响应进行了对比分析,研究结果表明进站人行天桥在正线列车高速通过时受到风荷载和环境振动的共同作用,其振动响应主要以风荷载为主,环境振动则对其振动响应有一定影响。  (4)参照国际ISO2631/2-1989标准并结合国际标准ISO10137的相关规定,对基准线的放大系数进行了合适的选取,以此来评价人行天桥的舒适度;采用子模型分析方法获取正线列车高速经过人行天桥时危险点处的应力或应变时程分量,采用相应的疲劳破坏准则及根据Manson-Conffin公式所推导出的的疲劳抗力方程,确定出正线列车高速通过进站人行天桥的服役寿命。研究结果表明进站人行天桥在正线列车高速通过时的振动响应较大,舒适性难以满足要求,服役时间有待增加,因此需要采用振动控制技术来增强其舒适性和延长其服役时间。  (5)分别采用TMD系统和MR-TMD系统对进站人行天桥在高速列车通过时的振动响应抑制进行研究。建立了设置TMD和MR-TMD系统的进站人行天桥在列车风和环境诱发振动作用下进站人行天桥的智能控制方法,并将其运用到株州西站进站人行天桥上,得到控制后的进站人行天桥的动力响应,并对控制后其舒适度和耐久性再次进行分析。研究结果表明采用MR-TMD系统和TMD系统都能控制进站人行天桥的动力响应,但MR-TMD系统对于舒适性的增强和服役时间的延长明显优于TMD系统的控制效果。  根据本文的研究内容和关键科学问题,主要创新点如下:  (1)分析在同时考虑列车风荷载和环境振动共同作用下,对进站人行天桥的动力响应影响;  (2)提出在列车诱发环境振动作用下,在人行天桥桥墩处的非一致激励的动力响应分析方法;  (3)建立设置MR-TMD系统的进站人行天桥在高速列车通过时延长其服役寿命的控制方法。  本文的研究解决了进站人行天桥在正线列车高速通过时的安全性,舒适性和耐久性问题,同时其减振控制技术也为其他同类型工程问题的设计提供了极具价值的参考和借鉴,具有明显的推广应用价值和实际经济效益。
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