既有重载铁路桥梁提高轴重适应性研究

【摘要】国外的研究和实践经验表明,增大轴重能够显著提高运输效率,重载运输发达国家大多是在没有进行基础设施大规模投资的情况下,通过既有线改造采用预防性养护维修体制和完善轮轨管理等措施来实现重载运输。目前我国比较典型的重载铁路大秦线和朔黄线主要开行21t-25t轴重0.5-2万吨重载列车,年运量大,列车开行密度高,但在养护维修和轴重两个方面与国外重载铁路存在较大差距。提高轴重会给既有铁路桥梁带来新的挑战,解决既有桥梁对轴重提高的适应性将成为制约既有重载铁路运输发展的关键核心技术。本文从重载车辆-有砟轨道-桥梁系统动力分析的角度出发,以朔黄重载铁路为工程背景,进行了以下创新研究：(1)将转向架分为摇枕和侧架两部分,建立车体、摇枕、侧架和轮对等多刚体组成的车辆空间振动分析模型,改进传统将转向架作为一个整体的车桥耦合分析模型,使其更接近货车实际模型,可以更好地反映货车车辆的作用特征；将轨枕和道床视为刚性Euler梁,利用均布线性弹簧和阻尼模拟道砟,建立三层(钢轨、轨枕和道床)支撑体系的有砟轨道结构空间振动模型；将轨道结构与桥梁结构的相互作用离散成一系列点与点之间的相互作用,轨桥之间采用连续均布线性弹簧和阻尼连接,考虑轨道系统不平顺的影响,建立重载列车-轨道-桥梁系统空间耦合振动分析模型及有限元形式的微分方程。(2)基于提出的重载铁路桥梁动力学理论分析方法,利用MATLAB及大型有限元软件ANSYS,开发重载车辆-有砟轨道-桥梁的三维动力分析仿真软件HTBS1.0:以朔黄重载铁路温塘河特大桥为工程背景,进行营运列车和试验列车作用下重载铁路桥梁综合动力性能现场试验研究,将试验研究与理论分析结果进行对比分析,验证本文提出的理论分析方法和仿真计算软件的可靠性。(3)研制基于WIFI+3G的重载铁路桥梁服役状态在线监测系统,该系统由传感器系统、数据采集系统、数据管理系统、数据处理与分析系统、诊断与报警系统五大部分构成,可实现无线网络传输和在任何有Internet网的地方都能实时观测重载铁路桥梁在运营中的动态行为,并根据评定指标设置了桥梁各项指标限值,当桥梁某一指标到达或超过限值时,系统将自动报警。(4)基于国内外铁路桥梁的标准和规范以及最新的研究成果,确定既有重载铁路桥梁的服役状态评定指标,并以朔黄重载铁路温塘河特大桥为工程背景,基于理论分析、在线监控结果和试验结果,对其服役状态进评估,并分析其对提高轴重的适应性。(5)针对朔黄重载铁路温塘河特大桥的轴重提高到28t-40t的辅助钢梁、分离式主梁体外预应力钢—混凝土组合桁架和自平衡体外预应力等三种加固改造方案,进行静力性能、动力性能和适应的具体轴重进行对比分析,基于理论分析与部分试验研究结果,得到重载铁路桥梁不同加固方案适应的轴重和行车速度。
【作者】龙卫国；
【导师】蒋丽忠；
【作者基本信息】中南大学，结构工程，2013，博士
【关键词】重载铁路桥梁；动力分析；在线监控；状态评估；适应性；

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