基于移动荷载有限元模型的高速铁路箱梁动力分析

《Scientific Reports》：Dynamic analysis of high speed railway box girders using a moving load finite element model

　　

摘要

高架桥结构是通过桥墩支撑的梁式结构，对于确保在人口密集地区高铁线路的畅通无阻至关重要。由于在共振条件下变形和力会出现放大效应，且为保障结构安全、乘客舒适度以及列车运行性能，必须限制桥面加速度，因此动态分析在设计过程中不可或缺。现有的设计标准对动态分析方法几乎没有提供指导，相关研究显示，可选的方法包括欧拉-伯努利梁模态分析、基于基尔霍夫-洛夫板理论的广义梁理论模态解，以及基于有限元的时域分析方法。本文研究了在200至350公里/小时的行驶速度下，四种具有代表性的高架桥结构在三种典型轴载组合条件下的简化梁模态解的适用性。首先，通过比较基于广义梁理论和实体有限元模型的本征分析结果，发现在该理想化的简支边界条件且存在扭转约束的情况下，两者结果十分吻合；而当将有限元模型的边界条件改为更符合实际情况的轴承式约束时，两者则出现较大差异。这些现象在高速列车作用下的动态响应中也有体现，即在理想边界条件下的分析结果与实验值较为匹配，而在实际边界条件建模下则存在差异。虽然分析预测结果通常较为保守，但由于共振频率的变化，有限元预测结果有时会显著偏高。研究结果表明，简化后的分析解可谨慎使用，并且应在所有可能出现的速度范围内进行计算，以便得到最可能的共振响应值。文章最后探讨了该研究的局限性及未来需要开展的研究方向。