Dynamic analysis of the railway bridge span under moving loads

• Autorzy: Szafrański M.

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.018.019

Warianty tytułu

PL

Analiza dynamiczna kolejowego przęsła mostowego pod obciążeniem ruchomym

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pierwszej części artykułu dokonano przeglądu obecnego stanu wiedzy z zakresu dynamiki mostów kolejowych pod obciążeniem ruchomym. Szczególną uwagę poświęcono rozwojowi modeli obciążeń kolejowych oraz modelom interakcji dynamicznej przęsło-pojazd. Zwrócono uwagę na najważniejsze aspekty determinujące rozwój tej dziedziny wiedzy. Przeprowadzono dyskusję współczesnych sposobów definiowania modeli MES przęseł mostowych wykorzystywanych w analizach dynamicznych. W drugiej, praktycznej części pracy, przedstawiono wyniki symulacji numerycznych przejazdu obciążenia po konstrukcji mostu. Obciążenie kolejowe odwzorowano w postaci strumienia sił skupionych oraz strumienia oscylatorów jedno- masowych. Rozważono drgania środka przęsła mostowego oraz masy pojazdu w zależności od prędkości ruchu. Parametry obciążenia przyjęto na podstawie rzeczywistego pojazdu szynowego - jednostki trakcyjnej serii EN57. Parametry konstrukcji przyjęto na podstawie mostowego przęsła odciążającego o rozpiętości 30 m. W obu przypadkach wszystkie potrzebne parametry dynamiczne przęsła uzyskano na podstawie badań wykorzystując techniki identyfikacji modalnej.

EN

The first part of the paper provides a review of the state of knowledge of the dynamic behaviour of railway bridges under moving loads. Particular attention is paid to developments in modelling railway bridge loading and dynamic vehicle-span (structure) interaction. The most important aspects determining the advancements in this area of knowledge are identified. The contemporary techniques for defining bridge span finite element models used in dynamic analyses are also discussed. The second, practical part of the paper presents the results of numerical simulations of the passage of load along the bridge structure. The railway loads are represented by a series of concentrated forces and a series of single-mass oscillators. Vibration of the bridge span centre and the vehicle mass depending on the speed of travel are considered. The loading parameters are adopted to represent a real railway vehicle - EN57 electrical multiple unit. The structure’s parameters were adopted on the basis of a 30 m long load-relieving span. In both cases modal identification techniques were used to obtain all the required dynamic parameters of the span under analysis on the basis of experimental data.

Słowa kluczowe

PL

analiza numeryczna; dynamika konstrukcji; identyfikacja modalna; mosty kolejowe; obciążenia kolejowe

EN

modal identification; numerical analysis; railway bridges; railway loads; structural dynamics

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 17, no. 4
• Strony: 299--316
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szafrański M.

• Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, Katedra Transportu Szynowego i Mostów, ul. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

Bibliografia

• Towpik K.: Infrastruktura transportu kolejowego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, wyd. II, Warszawa, 2009
• Kryłow A.N.: Über die erzwungenen Schwingungen von gleichförmigen elastischen Stäben. Mathematische Annalen, 61, 2, 1905, 211-234
• Timoshenko S.P.: Forced vibration of prismatic bars. Izvestiya Kievskogo Politekhnicheskogo Instituta, 59, 1908, 163-203
• Fryba L.: Vibration of Solids and Structures under Moving Loads. Thomas Telford, London, 1972
• Saller H.: Einfluss bewegter Last auf Eisenbahnoberbau und Brücken. Wiesbaden Kreidel, Berlin, 1921
• Jeffcott H.H.: On the vibration of beams under the action of moving loads. Philosophical Magazine, Series 7, 8, 48, 1929, 66-97
• Naleszkiewicz J.: Z dynamiki belki mostowej. Archiwum Mechaniki Stosowanej, Vol. 2, 1953, 517-544
• Akin J.E., Mofid M.: Numerical solution for response of beam with moving mass. Journal of Structural Engineering, ASCE, 115, 1, 1989, 120-131
• Michaltsos G.T., Sophianopoulos D., Kounadis A.N.: The effect of a moving mass and other parameters on the dynamic response of a simply supported beam. Journal of Sounds and Vibrations, 191, 3, 1996, 357-362
• Kączkowski Z.: O drganiach belki mostowej pod wpły- wem przesuwających się obciążeń. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Budownictwo, Z. 20, 201, 1967, 9-20
• Langer J.: Studium dynamiki przęsła mostowego obcią- żonego ruchomym pojazdem. Archiwum Inżynierii Lądowej, 19, 2, 1973, 255-262
• Yang Y.B., Lin C.W.: Vehicle-bridge interaction and potential application. Journal of Sounds and Vibration, 284, 1-2, 2005, 205-226
• Szcześniak W., Ataman M., Zbiciak A.: Drgania belki sprężystej wywołane ruchomym, liniowym oscylatorem jednomasowym. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 1, 2, 2002, 53-83
• Klasztorny M.: Analiza drgań belki mostowej przenoszącej jednorodny strumień obciążeń ruchomych. Archiwum Inżynierii Lądowej, 36, 3, 1990, 207-227
• Klasztorny M., Langer J.: Warianty sformułowania i analiza równań równowagi dynamicznej konstrukcji mostowych poddanych działaniu strumieni obciążeń iner- cyjnych. Archiwum Inżynierii Lądowej, 36, 1-2, 1990, 3-18
• Fryba L.: A Rough assessment of railway bridges for high-speed trains. Engineering Structures, 23, 5, 2001, 548-556
• Li J., Su M.: The resonant vibration for a simply supported girder bridge under high-speed trains. Journal of Sounds and Vibration, 224, 5, 1999, 897-915
• Xia H., Zhang N., Guo W.W.: Analysis of resonance mechanism and conditions of train-bridge system. Journal of Sounds and Vibration, 297, 3-5, 2006, 810-822
• Yang Y.B., Yau J.D., Hsu L.C.: Vibration of simple beam due to trains moving at high speed. Engineering Structures, 19, 11, 1997, 936-944
• Gao M.M., Pan J.Y.: Coupling vibration analysis for train-track-bridge system. Proceedings of the 6th European Conference on Structural Dynamics “EURODYN 2005”, Millpress, 2005, Rotterdam, 1069-1075
• Klasztorny M.: Analiza dynamiczna belkowych mostów zespolonych na CMK w warunkach zwiększonych prędkości pociągów (160 - 250) km/h. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 2, 3, 2003, 73-93
• Wu Y.S., Yang Y.B.: Steady-state response and riding comfort of trains moving over a series of simply supported bridges. Engineering Structures, 25, 2, 2003, 251-265
• Klasztorny M.: Dynamika mostów belkowych obcią- żonych pociągami szybkobieżnymi. WNT, Warszawa, 2005
• Xia H., Xu Y.L., Chan T.H.T.: Dynamic interaction of long suspension bridges with running trains. Journal of Sounds and Vibration, 268, 2, 2000, 263-280
• Zhang Q.L., Vrouwenvelder A., Wardenier J.: Numerical simulation of train-bridge interactive dynamics. Computer and Structures, 79, 10, 2001, 1059-1075
• Paiăxo A., Fortunato E., Calçada R.: The effect of differential settlements on the dynamic response of the train-track system: A numerical study. Engineering Structures, 88, 2015, 216-224
• Bryja D., Hołubowski R., Gisterek I.: Railroad vehicle modelling in probabilistic vibration analysis of a railway bridge with randomly fluctuating track ballast stiffness. Proceedings of The 9th International Conference on Structural Dynamics “EURODYN 2014”, Porto, Portugal, 2014, 2737-2744
• Podworna M.: Dynamic response of steel-concrete composite bridges loaded by high-speed train. Structural Engineering and Mechanics, 62, 2, 2017, 179-196
• Gou H., Zhou W., Yang Ch., Yi B., Pu Q.: Dynamic response of a long-span concrete-filled steel tube tie arch bridge and the riding comfort of monorial trains. Applied Sciences, 8, 4, 2018, 1-22
• Apanas L., Sturzbecher K.: Analiza dynamiczna kratowego wiaduktu kolejowego w związku z dostosowaniem do przejazdu pociągów z dużymi prędkościami. Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 5, 2009, 9-33
• Ribeiro D., Calcada R., Delgado R.: Dynamic analysis of Alcácer do Sal railway bridge. Proceedings of the 6th European Conference on Structural Dynamics “EURODYN 2005”, Millpress, 2005, Rotterdam, 1661-1667
• Oleszek R., Radomski W.: Dynamic analysis of an existing arch railway bridge according to Eurocodes. Archives of Civil Engineering, LXII, 4/I, 2016, 99-117
• Zobel H., Zbiciak A., Oleszek R., Michalczyk R., Mossakowski P.: Numerical identification of the dynamic characteristics of a steel-concrete railway bridge. Roads and Bridges - Drogi i Mosty, 13, 3, 2014, 189-215, DOI: 10.7409/rabdim.014.018
• Szafrański M., Żółtowski K.: Modelowanie konstrukcji mostów pod kątem dynamicznym. Seminarium „Mosty Kolejowe”, Warszawa - Jachranka, 2013, 101-115
• Żółtowski K., Kozakiewicz A., Romaszkiewicz T., Szafrański M., Madaj A., Falkiewicz R., Raduszkiewicz K., Redzimski K.: Przebudowa mostu kolejowego przez rzekę Pilicę z przystosowaniem do dużych prędkości. Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 8, 2010, 289-299
• Calcada R., Cunha A., Delgado R.: Dynamic analysis of metallic arch railway bridge. Journal of Bridge Engineering, 7, 4, 2002, 214-222
• Żółtowski K., Szafrański M., Kozakiewicz A.: Zastosowanie istniejących przęseł odciążających typu mostowego dla prędkości eksploatacyjnych do 60 km/h. Mosty, 2, 2013, 24-27
• Juang J.N., Pappa R.S.: An eigensystem realization algorithm for modal parameter identification and model reduction. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 8, 5, 1985, 620-627
• Bendat J., Piersol A.: Engineering applications of correlation and spectral analysis. John Wiley & Sons, Inc., 1980
• Szafrański M.: Dynamika mostu kolejowego małej rozpiętości pod obciążeniem ruchomym. Materiały konferencyjne 64. Konferencji Naukowej Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB „KRYNICA 2018”, Krynica Zdrój, 2018, 281-282
• Juang J.N.: Applied system identification. Englewood Clifs, Prentice-Hall PTR, New Jersey, Inc., 1994
• Szafrański M.: Vibration of the bridge under moving singular loads - theoretical formulation and numerical solution. Journal of Applied Mathematics and Computational Mechanics, 15, 1, 2016, 169-180
• Szafrański M.: Oddziaływania taboru na mosty kolejowe przy zmiennych parametrach ruchu. Rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska, Gdańsk, 2014

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).