列车脱轨分析理论与控制脱轨的桥梁横向刚度限值研究毕业论文.doc

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1、 I 摘要提速以来，部分桥梁横向振幅大大超过铁路桥梁检定规范规定的行车安全限值，采取列车限速过桥或桥梁加固措施，制约了提速战略的实施。少数桥梁横向刚度不足，导致桥上货物列车脱轨事故多次发生。新设计的高速铁路桥梁横向刚度能否确保列车安全运行是桥梁设计时必须回答的问题。国内外对铁路桥梁横向刚度作了大量的研究

2、，取得了丰富的成果。由于列车脱轨分析理论未能突破，铁路桥梁横向刚度问题没有很好解决。在前人研究工作的基础上，本文对列车脱轨分析理论与铁路桥梁横向刚度限值进行了研究。主要的研究内容和取得的成果如下：（ 1 ）论证了列车脱轨力学机理是列车 - 桥梁（轨道）系统横向振动丧失稳定，提出了列车脱轨能量随机分析理论，自

3、主开发了一套列车脱轨分析软件。（ 2 ）分析了酉水桥等 4 个桥上列车是否脱轨实例。计算结果均与实际情况一致，进一步论证了列车脱轨能量随机分析理论是正确可行的。（ 3 ）提出了预防脱轨的桥梁横向刚度限值分析方法，算出了提速线钢桥横向刚度限值。提速线 3 2 m 和 4 0 m 上承式钢板梁横向刚度宽跨比限值分别为 1 / 1 3 . 6 和

4、 1 / 1 5 . 7 。提速线 3 8 0 m 单线下承连续钢桁梁的宽跨比限值为 1 / 1 2 . 1 。本文制定的限值为修订铁路钢桥横向刚度规范限值提供了参考。（ 4 ）分析南京长江铁路大桥 1 2 8 m 简支钢桁梁等 5 座横向振幅超过桥检规限值桥梁的列车走行安全性。计算结果为设计车速下这些桥上列车不会脱轨，与长期横向振幅超限下行车未发生脱轨

5、的实际情况符合。解决了横向振幅超限桥梁的列车走行安全性分析问题。分析结果得到了相关铁路局的肯定和采用，取得了巨大的经济效益。（ 5 ）提出了铁路桥梁横向振幅行车安全限值分析方法，算出了提速线预应力混凝土 T 型梁桥的横向振幅行车安全限值。提速线 2 4 m 和 3 2 m 预应力混凝土 T 型梁桥横向振幅行车安全限值分别为 L /

6、 4 4 1 1 I I 和 L / 3 9 8 0 。综合分析，取 L / 4 5 0 0 作为预应力混凝土 T 型梁桥的横向振幅行车安全限值建议值，为桥梁检定和桥检规修订提供了参考。（ 6 ）提出了桥上列车脱轨控制分析方法及桥梁抗脱轨安全系数计算式。建立了钢管混凝土提篮拱桥空间振动分析模型，作了 5 座客运专线桥梁列车脱轨控制分析。分析结论为：这些

7、桥梁上列车不会脱轨，桥梁抵抗脱轨安全度很高。研究成果分别得到了铁道第四勘测设计院与中铁大桥局集团公司肯定和采纳，为这些桥梁设计提供了重要的理论依据。关键词：脱轨力学机理，脱轨分析理论，预防脱轨，桥梁横向刚度，限值，行车安全限值，脱轨控制，抗脱轨安全系数 I I I A B S T R A C T D u e t o t h e s p e e d

8、 - u p o f C h i n e s e r a i l w a y s , t h e l a t e r a l v i b r a t i o n a m p l i t u d e s o f s o m e b r i d g e s s u r p a s s t h e c o r r e s p o n d i n g l i m i t v a l u e f o r t r a f f i c s a f e t y d e t e r m i n e d b y t h e C o d e f o r R a t i n g E x i s t i n g R a

9、 i l w a y B r i d g e s ( a b b r e v i a t e d t o t h e C o d e h e r e i n ) . T o s t r e n g t h e n t h e s e b r i d g e s o r t o l i m i t t h e s p e e d o f t r a i n s r u n n i n g o n t h e s e b r i d g e s r e s t r a i n s t h e s p e e d - u p s t r a t e g y . L o w v a l u e o f

10、 b r i d g e l a t e r a l r i g i d i t y r e s u l t s i n a s e r i e s o f d e r a i l m e n t a c c i d e n t s o n b r i d g e s . T h e p r o b l e m i n b r i d g e d e s i g n f o r h i g h s p e e d l i n e t o b e u r g e n t l y s o l v e d i s w h e t h e r t h e s a f e t y o f r u n n

11、 i n g t r a i n s c a n b e e n s u r e d b y t h e l a t e r a l r i g i d i t y o f t h e n e w l y d e s i g n e d b r i d g e s . A g r e a t d e a l o f r e s e a r c h e s o n l a t e r a l r i g i d i t y o f r a i l w a y b r i d g e s h a v e b e e n m a d e a t h o m e a n d a b r o a d ,

12、 a n d f r u i t f u l a c h i e v e m e n t s h a v e b e e n a t t a i n e d . H o w e v e r , t h e a n a l y s i s t h e o r y o f t r a i n d e r a i l m e n t h a s n o t b e e n b r o k e n t h r o u g h , a n d t h e p r o b l e m o f b r i d g e l a t e r a l r i g i d i t y r e m a i n s t

13、 o b e s o l v e d . I n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e a n a l y s i s t h e o r y o f t r a i n d e r a i l m e n t a n d t h e l i m i t v a l u e o f l a t e r a l r i g i d i t y f o r r a i l w a y b r i d g e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d o n t h e b a s i s o f p r e v i

14、 o u s r e s e a r c h e s . T h e m a i n c o n t e n t s a n d c o n t r i b u t i o n s o f t h e d i s s e r t a t i o n a r e a s f o l l o w s . （ 1 ） I t h a s b e e n t e s t i f i e d t h a t t h e m e c h a n i s m o f t r a i n d e r a i l m e n t i s t h e l o s s o f t h e l a t e r a l

15、 m o v e m e n t s t a b i l i t y o f t r a i n - b r i d g e ( o r t r a i n - t r a c k ) s y s t e m . T h e t h e o r y o f e n e r g y r a n d o m a n a l y s i s f o r t r a i n d e r a i l m e n t i s p u t f o r w a r d , a n d a s e t o f a n a l y s i s s o f t w a r e f o r t r a i n d e

16、 r a i l m e n t i s d e v e l o p e d . （ 2 ） F o u r c a s e s o f d e r a i l m e n t o n b r i d g e s a r e a n a l y z e d . A l l t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s c o n f o r m w i t h t h e a c t u a l s t a t u s , s o t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t h e o r y o f e n e r g y

17、 r a n d o m a n a l y s i s f o r t r a i n d e r a i l m e n t i s v e r i f i e d . I V （ 3 ） T h e a n a l y s i s m e t h o d o f t h e l i m i t v a l u e o f b r i d g e l a t e r a l r i g i d i t y f o r d e r a i l m e n t p r e v e n t i o n i s p r o p o s e d , b y w h i c h t h e l i m

18、 i t v a l u e s o f l a t e r a l r i g i d i t y o f r a i l w a y s t e e l b r i d g e s o n s p e e d - r a i s e d l i n e a r e d e t e r m i n e d . T h e l i m i t v a l u e s o f w i d t h - t o - s p a n r a t i o f o r l a t e r a l r i g i d i t y o f 3 2 m a n d 4 0 m l o n g d e c k s

19、 t e e l p l a t e g i r d e r a r e d e t e r m i n e d a s 1 / 1 3 . 6 a n d 1 / 1 5 . 7 r e s p e c t i v e l y . T h e l i m i t v a l u e o f w i d t h - t o - s p a n r a t i o f o r l a t e r a l r i g i d i t y o f 3 8 0 m s t e e l t r u s s c o n t i n u o u s b e a m i s d e t e r m i n e

20、 d a s 1 / 1 2 . 1 . T h e s e l i m i t v a l u e s o f l a t e r a l r i g i d i t y o f s t e e l b r i d g e s c a n b e t a k e n a s r e f e r e n c e f o r t h e m o d i f i c a t i o n o f t h e b r i d g e d e s i g n c o d e . （ 4 ） T h e s a f e t y o f r u n n i n g t r a i n s o n f i v

21、 e b r i d g e s o f w h i c h l a t e r a l v i b r a t i o n a m p l i t u d e s s u r p a s s l i m i t v a l u e s t i p u l a t e d b y t h e C o d e i s a n a l y z e d . T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t r a i n s o n t h e s e b r i d g e s w i l l n o t d e r a i l w

22、 i t h i n d e s i g n s p e e d , w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h e p r a c t i c a l f a c t s . T h e p r o b l e m o f s a f e t y a n a l y s i s o f t r a i n r u n n i n g o n b r i d g e s w i t h t h e i r l a t e r a l v i b r a t i o n a m p l i t u d e s e x c e e d i n g s

23、 p e c i f i c a t i o n s i s s o l v e d . T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s h a v e b e e n a d o p t e d b y c o r r e s p o n d i n g r a i l w a y d e p a r t m e n t s , a n d a g r e a t e c o n o m i c e f f e c t i s a c h i e v e d . （ 5 ） T h e m e t h o d o f e s t a b l i s h i n

24、 g t h e l i m i t v a l u e o f b r i d g e l a t e r a l r i g i d i t y f o r t r a f f i c s a f e t y i s p r o p o s e d . W i t h t h e m e t h o d , t h e l i m i t v a l u e f o r t r a f f i c s a f e t y o f T - s h a p e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e i s p r e s e n t

25、 e d . T h e l i m i t v a l u e s f o r t r a f f i c s a f e t y o f 3 2 m a n d 2 4 m l o n g T - s h a p e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e a r e d e t e r m i n e d a s L / 3 9 8 0 a n d L / 4 4 1 1 r e s p e c t i v e l y . F i n a l l y , L / 4 5 0 0 i s d e t e r m i n e d t

26、 o b e t h e r e c o m m e n d e d l i m i t v a l u e f o r t h e l a t e r a l a m p l i t u d e f o r t r a f f i c s a f e t y o f T - s h a p e p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b r i d g e o n s p e e d - r a i s e d l i n e . （ 6 ） T h e a n a l y s i s m e t h o d f o r t r a i n d e r a

27、 i l m e n t c o n t r o l o n b r i d g e a n d t h e s a f e t y c o e f f i c i e n t f o r r e s i s t i n g d e r a i l m e n t a r e p u t V f o r w a r d . T h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l f o r b a s k e t h a n d l e a r c h b r i d g e o f c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t

28、 u b e i s p r e s e n t e d . D e r a i l m e n t c o n t r o l a n a l y s i s o f h i g h s p e e d t r a i n s o n f i v e b r i d g e s o f p a s s e n g e r s p e c i a l l i n e i s p e r f o r m e d . T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t r a i n r u n n i n g o n t h e s

29、 e b r i d g e s w i l l n o t d e r a i l , a n d t h e s a f e t y c o e f f i c i e n t s f o r r e s i s t i n g d e r a i l m e n t a r e g r e a t . T h e s t u d y h a s p r o v i d e d a n i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e s i g n o f t h e s e b r i d g e s ,

30、 a n d t h e r e s u l t s h a v e a l r e a d y b e e n a d o p t e d b y t h e F o u r t h S u r v e y & D e s i g n I n s t i t u t e o f C h i n a R a i l w a y s a n d C h i n a Z h o n g t i e M a j o r B r i d g e E n g i n e e r i n g G r o u p C o . L t d r e s p e c t i v e l y . K E Y W O

31、 R D S : d e r a i l m e n t m e c h a n i s m , a n a l y s i s t h e o r y o f d e r a i l m e n t , d e r a i l m e n t p r e v e n t i o n , b r i d g e l a t e r a l r i g i d i t y , l i m i t v a l u e , l i m i t v a l u e f o r t r a f f i c s a f e t y , d e r a i l m e n t c o n t r o l ,

32、 s a f e t y c o e f f i c i e n t f o r r e s i s t i n g d e r a i l m e n t I 目录摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I A B S T R A C T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I I I 第一章绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35、 . . . . . . . 1 1 . 1 铁路桥梁横向刚度研究的意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 2 国内外列车脱轨研究概况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 . 2 . 1 列车脱轨问题的来源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 . 2 . 2 列车脱轨原因 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 . 2 . 3 列车脱轨评判标准 . . . . .

38、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 . 2 . 4 国内外脱轨研究存在的主要问题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 . 3 国内外铁路桥梁横向刚度限值的规定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 . 3 . 1 与设计荷载无关的规定 . . . . . . . . . . . . . . . . .

40、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 . 3 . 2 设计水平荷载作用下桥梁容许水平挠度的规定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 . 3 . 3 列车动力荷

41、载作用下桥梁容许水平位移 ( 振幅 ) 的规定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 . 4 国内外铁路桥梁横向刚度限值研究概况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 . 4 . 1 日本桥梁横向刚度限值研究方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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