跨线天桥非一致激励下动力响应的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交通运输业土木工程结构领，尤其涉及一种适用于跨线天桥非一致激 励下动力响应的计算方法。
【背景技术】
[0002] 进站人行天桥是铁路客运交通中的重要基础设施，在正线列车高速而又频繁地从 其下方通过时，由于受到列车高速运行所产生的列车风荷载和地基振动的强烈作用，其振 动响应非常明显，严重影响其安全性、舒适性和耐久性，为此需要对进站人行天桥在正线列 车高速通过时的动力响应进行研宄。
[0003] 目前现有的研宄主要关注于列车风荷载所引起的跨线人行天桥结构的动力响应， 并未考虑高速列车诱发诱发的环境振动的对它的影响；而在高速列车诱发的环境振动方 面，则主要关注于列车对临近的建筑物的振动响应，由于临近的建筑物在列车的一侧，列车 所引起的环境振动波几乎同时同向传递到该结构物基础处，故在计算分析中可以认为是一 致激励作用。而本专利中，由于高速列车从跨线人行天桥正下方通过时，环境振动作用是 沿不同的方向传递到天桥基础的，因此，目前的一致激励分析方法对于跨线人行天桥环境 振动分析已不再适用，必须采用非一致激励分析方法才能合理地计算出人行天桥的振动响 应。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种关于跨线人行天 桥在正线列车非一致激励作用下动力响应的计算方法，准确地计算出跨线人行天桥在高速 列车从其正下方通过时所产生的环境振动下的振动响应，该方法具有较大的实际工程应用 价值。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种关于跨线人行天桥在正线列车 非一致激励作用下动力响应的计算方法，包括以下步骤：
[0006] (1)输入列车、轨道的基本参数，根据车辆-轨道耦合动力学原理分别建立车辆模 型、轨道模型，根据轮轨接触关系，建立列车轨道系统耦合动力学二维分析模型，该模型为 二维刚体运动学模型；所述列车、轨道的基本参数包括：列车车体、转向架和轮对的质量和 转动惯量，列车车体与转向架，转向架与轮对之间的刚度系数和阻尼系数；
[0007] (2)利用列车-轨道系统耦合动力学二维分析模型，同时依据列车、轨道物理参 数，获得正线列车高速运行时作用在钢轨节点上的激振力时程曲线，为进一步求解列车运 行引起的环境振动提供振源激励；
[0008] (3)建立轨道-枕木-大地三维有限元传递模型，根据该三维有限元模型分析高速 列车所引起的大地振动在地面的衰减规律，从而获取作用在跨线人行天桥桥墩处的环境振 动波时程曲线；
[0009] (4)根据正线列车高速运行时作用在跨线人行天桥桥墩处的环境振动波时程曲线 确定出作用在跨线人行天桥桥墩处的时程响应曲线，该振动波在各个桥墩处的时间和空间 变化特性上均不相同，由此获得作用在跨线人行天桥桥墩处的激振力时程曲线；
[0010] (5)输入相应的材料参数和约束条件，按照实际尺寸建立跨线人行天桥三维有限 元动力模型；
[0011] (6)根据有限单元法获得作用在人行天桥各节点上的动力荷载时程曲线建立跨线 人行天桥的运动方程，将它桥身与桥墩处的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵进行矩阵分块， 推导出跨线人行天桥在正线列车非一致激励作用下的运动方程，并采用无条件稳定的数值 积分方法，即可求得跨线人行天桥在正线列车非一致激励作用下的动力响应。
[0012] 按上述方案，步骤6)中跨线人行天桥的运动方程为：
[0013]
【主权项】
1. 一种关于跨线人行天桥在正线列车非一致激励作用下动力响应的计算方法，包括以 下步骤： (1) 输入列车、轨道的基本参数，根据车辆-轨道耦合动力学原理分别建立车辆模型、 轨道模型，根据轮轨接触关系，建立列车轨道系统耦合动力学二维分析模型，该模型为二维 刚体运动学模型；所述列车、轨道的基本参数包括：列车车体、转向架和轮对的质量和转动 惯量，列车车体与转向架，转向架与轮对之间的刚度系数和阻尼系数； (2) 利用列车-轨道系统耦合动力学二维分析模型，同时依据列车、轨道物理参数，获 得正线列车高速运行时作用在钢轨节点上的激振力时程曲线，为进一步求解列车运行引起 的环境振动提供振源激励； (3) 建立轨道-枕木-大地三维有限元传递模型，根据该三维有限元模型分析高速列车 所引起的大地振动在地面的衰减规律，从而获取作用在跨线人行天桥桥墩处的环境振动波 时程曲线； (4) 根据正线列车高速运行时作用在跨线人行天桥桥墩处的环境振动波时程曲线确定 出作用在跨线人行天桥桥墩处的时程响应曲线，该振动波在各个桥墩处的时间和空间变化 特性上均不相同，由此获得作用在跨线人行天桥桥墩处的激振力时程曲线； (5) 输入相应的材料参数和约束条件，按照实际尺寸建立跨线人行天桥三维有限元动 力模型； (6) 根据有限单元法获得作用在人行天桥各节点上的动力荷载时程曲线建立跨线人行 天桥的运动方程，将它桥身与桥墩处的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵进行矩阵分块，推导 出跨线人行天桥在正线列车非一致激励作用下的运动方程，并采用无条件稳定的数值积分 方法，即可求得跨线人行天桥在正线列车非一致激励作用下的动力响应。
2. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤6)中跨线人行天桥的运动方程 为：
式中：[MJ、[CaJ和[KaJ分别表示桥身的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{xa}、 和·分别为人行天桥桥身的位移、速度和加速度向量；{F' w}表示桥身所受到的其他荷 载；{xb}为桥墩处的位移。
3. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤（1)中所述系统模型可仅考虑竖 向振动，亦可同时考虑水平和竖向两个方向的振动。
4. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，步骤（3)中建立轨道-枕木-大地三 维有限元传递模型时，基于以下理论假设： (a) 忽略结构与土壤之间的影响，认为作用桥墩处土壤的振动位移即是作用在桥墩处 的位移； (b) 忽略道路土体的离散性，认为土体是连续弹性体，只考虑线性分析。
【专利摘要】跨线天桥非一致激励下动力响应的计算方法。本发明是关于跨线人行天桥在正线列车非一致激励作用下动力响应的计算方法，其以跨线人行天桥动力响应作为目标值，考虑列车高速运行过程中对跨线人行天桥桥墩处所产生的非一致激励，推导出非一致激励作用下跨线人行天桥的运动方程，再根据数值积分法即可获得人行天桥在列车作用下的响应。本方法创新地提出了非一致激励分析方法来合理地计算跨线人行天桥在正线列车从其正下方高速通过时作用于桥墩处的非一致激励下的振动响应，该方法适合所有的跨线人行天桥在正线列车作用下的动力响应分析，具有较大的实际工程应用价值和创新性。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104731998
【申请号】CN201410783934
【发明人】刘嘉, 瞿伟廉, 卢家星, 蒋丽
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2014年12月16日