Analysis of Train-bridge Dynamic Interaction By Using Finite Element Method and Multibody Co-simulation Model: Case Study of Thailand Airport Rail Link Project
Abstract
งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวิเคราะห์ผลตอบสนองแบบปฏิสัมพันธ์ระหว่างรถไฟและสะพานด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์อิลิเมนต์ (Finite Element Method) ร่วมกับแบบจำลองมัลติบอดี้ (Multibody Co-Simulation Method) โดยใช้ตัวอย่างสะพานและรถไฟจากโครงการรถไฟฟ้าแอร์พอร์ต เรล ลิงค์ ในการสร้างแบบจำลอง นอกจากนี้ในการวิจัยยังได้ทำการทดสอบจริงโดยติดตั้งอุปกรณ์บนสะพานเพื่อตรวจวัดการสั่นสะเทือนเมื่อรถไฟแล่นผ่าน ผลที่ได้จากการทดสอบจะถูกนำมาใช้ในการเปรียบเทียบกับผลจากการวิเคราะห์ด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ จากผลการดำเนินการพบว่ารูปแบบของการสั่นสะเทือนและค่าการแอ่นตัวของสะพานที่ได้จากการตรวจวัดมีความสอดคล้องกับผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลองฯ อย่างไรก็ตาม พบว่าค่าความเร่งที่เกิดขึ้นบนสะพานนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ โดยอาจเป็นผลมาจากปัจจัยอื่นๆเช่น ความไม่สม่ำเสมอของผิวทาง (Track Irregularity) รวมไปถึงความสมบูรณ์ของส่วนประกอบต่างๆ ของทางวิ่ง ผลจากการวิจัยแสดงให้เห็นถึงแนวทางการประยุกต์ใช้แบบจำลองระเบียบวิธีไฟไนต์อิลิเมนต์ร่วมกับแบบจำลองมัลติบอดี้ ที่สามารถนำไปใช้ในการคาดคะเนผลตอบสนองจากพฤติกรรมปฏิสัมพันธ์ระหว่างรถไฟและโครงสร้างสะพานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยสามารถนำไปประยุกต์ใช้วิเคราะห์พฤติกรรมของระบบในสภาวะอื่นๆ ได้เช่น การเปลี่ยนระดับความเร็วของรถไฟ การเปลี่ยนแปลงรูปแบบของสะพาน ความไม่สม่ำเสมอของผิวทางในรูปแบบต่างๆ เป็นต้น
This research aims to analyze the interaction response between trains and bridges by using Finite Element Method (FEM) and Multibody Co-simulation model. The bridges and trains details were obtained from Thailand Airport Rail Link Project. In addition, actual tests were carried out by installing devices on the bridge to measure the vibration as the train passed. The tested results were used for comparison with the results from the mathematical models developed. It was founded that, the results of vibration mode and mid-span deflection from field experiment and numerical simulation are in good agreement. However, the significant differences of the bridge acceleration were found in some range of train speed. Those differences between bridge acceleration results may be caused by the effects of track irregularity and the condition of track components. This research has been shown that the finite element model with multi-body model can be applied for prediction of the behaviors of train-bridge dynamic interaction, effectively. Furthermore, this technique can also be applied to analyze the behaviors of the system in other conditions, such as variation of the train speed, bridge configuration as well as degree of track Irregularity, etc.
Keywords
[1] W. Zhai, Z. Han, Z. Chen, L. Ling, and S. Zhu, “Train–track–bridge dynamic interaction: A state-of-the-art review,” Vehicle System Dynamics, vol. 57, no. 7, pp. 984–1027, 2019.
[2] D. Canteroa and A. Rønnquista, “Numerical evaluation of modal properties change of railway bridges during train passage,” Procedia Engineering, vol. 199, pp. 2931–2936, 2017.
[3] V. N. Dinh, K. D. Kim, and P. Warnitchai, “Dynamic analysis of three-dimensional bridge–high-speed train interactions using a wheel–rail contact model,” Engineering Structures, vol. 31, no. 12, pp. 3090–3106, 2009.
[4] K. Grębowski and M. Zielińska, “Dynamic analysis of historic railway bridges in Poland in the context of adjusting them to Pendolino trains,” International Journal of Applied Mechanics and Engineering, vol. 20, no. 2, pp. 283–297, 2015.
[5] H. Li, H. Xia, M. Soliman, and D. Frangopol, “Bridge stress calculation based on the dynamic response of coupled train–bridge system,” Engineering Structures, vol. 99, pp. 334–345, 2015.
[6] N. Zhang, Y. Tian, and H. Xia, “A train-bridge dynamic interaction analysis method and its experimental validation,” Engineering, vol. 2, no. 4, pp. 528–536, 2016.
[7] S. Schneider and S. Marx, “Design of railway bridges for dynamic loads due to high-speed traffic,” Engineering Structures, vol. 174, pp. 396–406, 2018.
[8] H. Zhao, Y. Ding, and A. Li, “Dynamic performance evaluation of a high-speed fourtrack railway bridge traversed by multiple trains,” Journal of Performance of Constructed Facilities, vol. 32, no. 1, pp. 04017130, 2018.
[9] Y. Shan, Y. Shu, and S. Zhou, “Finite-infinite element coupled analysis on the influence of material parameters on the dynamic properties of transition zones,” Construction and Building Materials, vol. 148, pp. 548–558, 2017.
[10] H. Wang and V. Markine, “Corrective countermeasure for track transition zones in railways: Adjustable fastener,” Engineering Structures, vol. 169, pp. 1–14, 2018.
[11] K. Giannakos and S. Tsoukantas, “Transition zone between ballastless and ballasted track: Influence of changing stiffness on acting forces,” Procedia - Social and Behavioral Sciences, vol. 48, pp. 3548-3557, 2012.
[12] J. M. Olmos and M. Á. Astiz, “Non-linear vehiclebridge- wind interaction model for running safety assessment of high-speed trains over a high-pier viaduct,” Journal of Sound and Vibration, vol. 419, pp. 63–89, 2018.
[13] D. P. Connolly, P. Galvín, B. Olivier, A. Romero, and G. Kouroussis, “A 2.5D time-frequency domain model for railway induced soil-building vibration due to railway defects,” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol. 120, pp. 332– 344, 2019.
[14] J. Hu, Y. Luo, Z. Ke, P. Liu, and J. Xu., “Experimental study on ground vibration attenuation induced by heavy freight wagons on a railway viaduct,” Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, vol. 37, no. 4, pp. 881–895, 2018.
[15] J. Luo, S. Zhu, and W. Zhai, “An efficient model for vehicle-slab track coupled dynamic analysis considering multiple slab cracks,” Construction and Building Materials, vol. 215, pp. 557–568, 2019.
[16] D. Gorbatjuk, G. Brandstetter, and J. Fink, “Investigations for simplified consideration of train-bridge-interaction based on railjet highspeed train,” Procedia Engineering, vol. 156, pp. 116-123, 2016.
[17] F. Ribes-Llario, C. Zamorano-Martín, S. Morales- Ivorra, and J. Real-Herráiz., “Study of vibrations in a short-span bridge under resonance conditions,” Journal of Vibroengineering, vol. 18, no. 5, pp. 3186–3196, 2016.
[18] C. Mellier, “Optimal design of bridges for high-speed trains: Single and double-span bridges,” M.S. thesis, Department of Civil and Architectural Engineering, Division of Structural Design and Bridges, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2010.
[19] Y. Song, Y. Du, X. Zhang, and B. Sun, “Evaluating the effect of wheel polygons on dynamic track performance in high-speed railway systems using Co-simulation analysis,” Applied Sciences, vol 9, no. 19, pp. 4165, 2019.
[20] Union Internationale des Chemins de fer (UIC), UIC 776-2R: Design requirements for rail-bridges based on interaction phenomena between train, track and bridge”, Attribution Non-Commercial (BY-NC) 2nd edition, June 2009.
[21] J. J. Kalker, “A fast algorithm for the simplified theory of rolling contact,” Vehicle System Dynamics,” vol. 11, pp. 1–13, 1982.
[22] T. Arvidsson and A. Andersson, “Train–track– bridge interaction for non-ballasted railway bridges on high-speed lines,” Structural Engineering and Bridges, 2017.
[23] D. Gong, J. Zhou, W. Sun, Y. Sun, and Z. Xia, “Method of multi-mode vibration control for the carbody of high-speed electric multiple unit trains,” Journal of Sound and Vibration, vol. 409, pp. 94–111, 2017.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2022.05.001
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all