高速铁路弹塑性路基及轨道的地震反应特性研究

高铁列车运行时突发地震会对路基及轨道产生振动危害,严重影响列车的安全运行。为此,文中建立轨道系统-弹塑性路基-地基三维精细化有限元模型,分析高速铁路弹塑性路基和轨道在不同列车速度v(50、70、100、130 m·s~(-1))下的地震反应特性,结果表明:地震与列车共同作用下,路基和轨道的位移振幅主要受地震作用影响,而车速变化对路基位移幅值的作用较弱,对轨道的作用较强;地震发生时,列车以不同车速运行会对路基和轨道的频谱曲线产生不同程度的波动影响,其中在车速50 m·s~(-1)时波动最为剧烈,且总体向高频移动,并出现多个振动主频,此时路基和轨道的加速度峰值分别为单独移动荷载的2.3和1.3倍,路基及轨道加速度显著提高;地震作用下,列车的脱轨系数与横向位移在车速50 m·s~(-1)时显著增大,超过列车安全运行的标准;推测车速50 m·s~(-1)(180 km·h~(-1))为列车脱轨的临界速度。     

地震频谱特性对高速列车车体振动的影响分析

为研究不同频谱特性的地震作用对高速列车振动的影响,本文建立31自由度的机车模型,利用三角级数法生成轨道不平顺。通过在水平、竖直两个方向输入不同频谱特性的三条地震波,主要从频域角度分析总结了不同车速和不同地震峰值加速度下车体的垂直和横向加速度。结果表明,地震对车体横向振动的影响大于垂向;地震动的低频成分居多时,会使得车体振动响应增大。地震峰值加速度对车体振动有较大影响且车速和地震峰值加速度共同控制车体的横向和垂向振动主频。列车运行时,若遇到卓越频率低且峰值加速度较大的地震激励。     

高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究

高铁是国民经济大动脉的重要组成部分,运输业的生力军。"十二五"规划中将铁路运输安全放在十分重要的位置,并明确提出"大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路"的重要目标。由于我国地震频发,地震灾害对我国的高铁网络构成了严重的威胁,而目前我国高速铁路线路中桥梁所占的比例已经超过了50%,地震发生时列车运行在桥上的概率增大,因此,考虑车-桥耦合作用的高铁列车地震安全性评价和地震报警阈值研究有待于进一步加以推进。我国高铁地震报警和紧急处置系统的研究和示范工程建设才刚刚起步,目前系统尚未得到真实地震的检验,经验积累较少,所采用的一些技术参数,如报警阈值等的合理性有待于进一步研究论证,需要解决的一些关键问题有:(1)合理的车-桥耦合模型的构建;(2)车-桥耦合体系地震响应的分析;(3)基于中国高速铁路轨道谱的高铁列车地震安全性评价;(4)确定合理的高铁列车地震报警阈值。本文主要针对以上几个关键问题开展研究工作,主要研究内容和成果如下:(1)模型研究。基于现有基础调研资料确定列车模型和桥梁模型具体参数以及车-桥耦合接触关系。通过弹簧和阻尼器建立桥梁与轨道、轨道与列车之间的连接,建立了高铁列车-高架桥耦合有限元模型,通过车-桥耦合动力特性分析验证模型的合理性。轮轨接触力基于空间动态轮轨关系求解:基于非线性赫兹接触理论计算轮轨法向力,基于Kalker线性理论计算轮轨蠕滑力,再通过Hedrick-Elkinss理论对计算结果进行非线性修正。(2)车-桥耦合地震响应分析。选取典型地震动加速度时程作为外部激励,对车-桥耦合体系地震响应进行分析研究,得到车-桥耦合体系桥面加速度响应放大系数,研究地震频谱特性对桥面地震响应的影响规律。同时建立不考虑高铁列车的等跨单桥模型,对其进行地震响应分析,与车-桥耦合模型计算结果进行对比分析。结果表明,车-桥耦合模型与单桥模型动力特性和地震响应存在一定的差异,在高铁桥梁地震响应分析中,考虑车-桥耦合是必要的。(3)高铁列车地震响应分析。以计算得到的车-桥耦合体系桥面加速度时程作为输入,同时分别采用中、德轨道不平顺样本作为内部激励,基于车-轨耦合动力分析理论,对高铁列车地震反应进行计算分析,得到列车的动力响应值,包括列车的脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等,并对比规范中该三项指标限值,对高铁列车地震安全性进行评价。结果表明,基于中国轨道谱计算得到的地震作用下列车安全性三项指标值与按照德国谱计算得到的结果差异较大,采用德国谱计算得到列车安全性评价三项指标值均大于中国谱,较中国谱偏于保守。(4)高铁列车地震报警阈值研究。选取不同频谱特性的典型地震动记录,通过调整地震动峰值进行大量计算分析,基于高铁列车安全性三项指标求解得到不同车速下允许的地震动强度限值曲线,对全部地震动记录对应的限值曲线进行包络取值,得到最小包络限值曲线,对其进行适当简化,最终给出不同车速下高速铁路列车地震紧急处置系统的报警阈值建议值和简化公式。研究结果表明,考虑高速铁路轨道谱,采用德国谱比中国谱得到的地震报警阈阈值小。由于德国谱目前在国内应用较为广泛和成熟,有必要进一步验证中国高速铁路轨道谱的合理性与可行性,并应用于实际工程。     

高速地铁列车竖向振动特性分析

高速地铁列车是一种运行速度可达160 km/h远高于普通地铁最高速度80 km/h的新型地铁列车。其车辆力学特性与高铁列车基本相同,其轨道运行条件与普速列车轨道运行条基本相同。地铁列车竖向振动影响列车上部结构供电及受力性能,目前高铁及普速列车在各自轨道上运行时列车的振动特性研究较为成熟,但高铁列车在普速铁路上运行时的振动特性的研究尚属空白。聚焦高速地铁列车在普速轨道上运行时的车辆振动特性,基于OpenSees软件建立普速及高速地铁列车的车-轮-轨二维有限元模型;利用我国普速轨道谱考虑其频谱特征随机生成20个440 m长轨道不平顺样本;通过有限元法分析了普速和高速地铁列车在不同运行速度及不同平顺程度下的竖向位移响应及统计参数,研究了高速及普速地铁列车竖向振动随运行速度的变化规律。研究表明：高速地铁列车与普速地铁列车的不平顺轨道振动远大于平顺轨道振动。高速列车与普速列车在竖向振动随速度变化特性上存在差异,高速列车的竖向振动位移幅值远小于普速列车,相较于普速列车振动更加稳定。     

重载列车荷载作用下雅丹边坡的动力响应分析

以新建青海省地方铁路鱼卡至一里坪线经过的雅丹地貌为研究对象,选择邻近已建铁路,对不同速度重载列车引起的地面振动进行现场实时测试,从频域和时域两方面分析振动加速度在雅丹场地中的衰减特性。通过地质勘察,建立雅丹边坡的振动分析模型,利用数值模拟分析存在软弱夹层的典型雅丹边坡在不同运行速度下的加速度和位移响应规律,并计算雅丹场地列车振动的安全影响距离。研究结果表明:振动加速度的衰减速率随着距离的增加迅速降低,在距线路中心线2.5～5.5 m处,衰减较快;5.5～15.5 m,衰减趋于平缓;随着距离的增大,振动高频的成分被抑制,频率逐渐向低频移动;雅丹边坡下部的软弱夹层使透射系数锐减,起到了较好隔振作用,上部的软弱夹层隔振效果不明显;以振动速度峰值PPV为振动量评价指标,得到重载列车在70 km/h及以下速度运行时,其对线路振动影响距离为小于6.1 m。     

几种不同下垫面地表粗糙度动态变化及其对通量机理模型模拟的影响

在众多地表通量模拟模型和遥感通量反演模型中,空气动力学粗糙度(z0)是一个重要的地表参数.选取代表典型农田的禹城站,代表复杂下垫面的千烟洲站和代表森林下垫面的长白山站3个通量观测站的风速和温度廓线资料,运用最小二乘法拟合迭代,分别计算得到各站点通量塔所在地的零平面位移和空气动力学粗糙度.在此基础上,分别分析不同下垫面的空气动力学粗糙度随作物高度和叶面积指数(LAI)、风向(地形)、风速、摩擦速度等因子的变化.并采用SEBS模型分析地表空气动力学粗糙度动态变化对地表通量计算的影响.结果表明空气动力学粗糙度随植被特征(如作物高度,叶面积指数等)以及风向、风速和摩擦速度等因子而变化.禹城和长白山站通量塔所在风浪区的空气动力学粗糙度明显随作物生长期植被高度及叶面积指数变化,即先随LAI增加而增加,达到峰值后,随LAI增加而减小;千烟洲叶面积指数变化较小,空气动力学粗糙度随叶面积指数的变化不明显;地形较平坦的禹城和长白山站空气动力学粗糙度随风向变化较小,而地形起伏较大的千烟洲站空气动力学粗糙度随风向变化较大.随着风速的变化,禹城站空气动力学粗糙度没有明显变化,而千烟洲和长白山空气动力学粗糙度表现出随风速增加而减小的趋势.各站空气动力学粗糙度的这种动态变化对模型通量反演有较大影响,通过模型分析,5月1日～6月3日禹城空气动力学粗糙度日平均值、千烟洲及长白山通量塔空气动力学粗糙度5d平均值与模型所取z0值相比,由于z0的动态变化造成相同时间尺度显热通量H的计算相对误差的绝对值最大可分别达到2.726%,33.802%和18.105%.     

黄土动力特性参数的相关性分析

阐述了黄土的动强度与液化、震陷性与动变形、动应力与动应变关系等基本动力学特性及其影响因素。基于黄土地区部分黄土动力学性质的试验结果,运用最小二乘法原理进行了相关性分析,揭示了黄土的动力学参数指标(骨干曲线初始切线模量,骨干曲线渐进线截距,最大动阻尼比)和湿陷性指标(湿陷系数)与黄土的物性指标(塑性指数、孔隙比、含水量)和固结围压之间的相关关系,建立了黄土动力学参数与物理力学指标之间线性关系的系数,为黄土工程的动力反应与稳定性分析提供了研究基础。     

铁路大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动研究

桥梁作为线路工程中不可或缺的重要枢纽,对列车通过桥梁时,桥梁和车辆之间相互作用的问题迫切需要做出解答,特别是针对铁路钢桁梁,并考虑大跨度简支特性的车-桥耦合振动问题研究更具有一定的理论与实际意义。以黄韩侯铁路新黄河特大桥156 m简支钢桁梁桥作为工程背景,建立车辆动力模型、桥梁有限元模型并考虑轮轨关系,以蛇形运动和轨道不平顺作为系统的自激激励源,利用大型有限元软件ANSYS以及UM(Universal Mechanism)动力学分析软件联合进行仿真分析,实现单个机车、编组客车和编组货车以设计时速通过桥梁时对大跨度简支钢桁梁桥车-桥耦合振动的研究。经过计算分析得出:大跨度钢桁梁桥的横向刚度相对较小;不同编组情况以设计时速通过桥梁时,车辆和桥梁的各项动力响应参数均在规范允许的范围之内;编组货车通过桥梁时,桥梁跨中横向、竖向加速度较之其他编组情况要大。     

快速汉克尔变换及其在正演计算中的应用

在地球物理电(磁)法正演计算中常涉及贝塞尔函数积分,快速汉克尔数字滤波是最常用的计算方法之一.然而不同的汉克尔滤波系数,计算结果的精度也有所差异.本文对比了五组高精度快速汉克尔长滤波系数的计算精度,分析了不同核函数对计算精度的影响;同时将五种滤波系数应用于电阻率测深法、频域电磁测深法、瞬变电磁测深法的正演计算中,比较了不同滤波系数对响应和视电阻率模拟时精度的变化关系.经过大量的模型计算表明:滤波的精度并不单纯的只与滤波系数个数有关,而是多种因素综合作用的结果.本文的研究对于电(磁)法正演计算汉克尔滤波系数的选择具有指导作用,有利于节省计算机资源,提高计算效率.     

地震作用下高速铁路车-线-桥耦合系统动力响应分析

地震激励对高速车辆-简支箱梁桥系统动力响应的影响关系到高速铁路运营安全。基于车辆-轨道耦合动力学和列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,运用有限元和多体动力学方法,建立高速铁路桥梁区段车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型,分析在人工地震波作用下高速铁路车-线-桥耦合系统动力响应。结果表明:地震激励对轨道板、支撑层和桥梁的横向振动特性的影响大于对垂向振动特性的影响,桥梁结构对地震激励的敏感程度大于轨道结构;车辆运行速度对系统垂向振动特性的影响大于对横向振动特性的影响。研究结论可为地震荷载作用下高速铁路安全运营提供理论依据。     

城市轨道交通微幅振动对西安南城墙的影响分析

为了评估轨道交通微幅振动对文化遗址的影响,进一步保护古建筑,本文以西安地铁二号线为工程背景,以南门区段古城墙为研究对象,通过建立"基础土层一上部结构"三维空间有限元计算模型,分析了地铁列车振动荷载的数定形式,应用瞬态分析对西安地铁二号线列车振动引起的西安南城墙的动力响应进行了分析。研究了城墙在不同的地铁列车时速作用下、单向隧道地铁和双向隧道地铁振动时的动力特性以及振动衰减规律,分析了具有最不利影响的列车运行状况,为城墙的保护提供依据。     

南极中山站至Dome A考察断面湍流参数特征近地层湍流参数特征

利用南极中山站至Dome A考察断面上3个自动气象站2005～2007年的观测资料和2008年夏季在中山站附近冰盖获取的湍流观测资料,应用空气动力学方法和涡动相关法计算分析了中山站至Dome A断面上近地层各种湍流参数(感热通量,潜热通量,湍流温度、湿度和速度尺度,地表粗糙度,大气稳定度及动量输送系数)的季节变化、日变...     

基于多辛结构谱元法的保结构地震波场模拟

近年来构造高精度、高效且具有长时程跟踪能力的保结构算法已逐渐成为地震波模拟算法发展的重要方向之一. 本文基于谱元法(SEM)进行空间域离散结合新推导的三阶辛算法(NTSTO)进行时间域离散,构造了一种具有时-空保结构特性的新算法. 本文给出的多组数值试验对比结果表明,本算法无论在内存消耗、稳定性及计算耗时,还是长时程跟踪能力方面都有上佳的表现; 另外,本文给出的起伏地表多层介质模型的数值算例验证了该算法处理复杂几何形状和复杂介质时的有效性. 该多辛结构谱元法的发展将为长时程地震波传播的计算及模拟提供更为广泛而有效的选择.     

车载作用下箱形截面梁振动特性的瞬态动力学分析

论文根据磁浮交通道岔梁的结构及受力特点,通过建立合理的瞬态动力学数值模型,把列车作为高速运行的荷载动态作用于道岔梁上。采用瞬态拟动力学方法模拟钢结构梁动力响应特性。研究了道岔梁上关键点位置相应的振幅、反应加速度及其时效特性。通过计算比较精确地获得工程实际中最为关注的梁的最大振动位移和加速度。研究成果可为高速磁浮实际工程设计提供借鉴。     

基于位移的模块式加筋土挡墙抗震设计方法研究

性态设计是支挡结构工程抗震设计的前沿科学问题。以模块式加筋土挡墙为试验对象,通过振动台试验,探究模块式加筋土挡墙的变形模式;收集归纳挡土墙位移计算方法,分析不同破坏模式下屈服加速度系数分布规律;对比不同计算方法计算值与实测值的一致性。研究结果表明：挡墙的位移模式为平移与转动耦合,且以转动为主;不同破坏模式下安全系数法求解的屈服加速度系数均随输入加速度幅值增大而减小,简便方法和能量法所得屈服加速度系数为常数;将屈服加速度系数代入不同位移计算方法对比,提出在不同峰值加速度时,可分别采用Richards and Elms上限法(0.4g以下)、Cai and Bathurst平均上限法(0.4g～0.6g)、Newmark上限法(0.6g～0.8g)、Whitman and Liao平均拟合法(0.8g～1.0g)进行位移计算。最后,对模块式加筋土挡墙的抗震设计流程进行归纳。     

基于相似分析的季节性冻土区铁路桥墩—基础场地振动特性研究

为了研究季节性冻土区铁路桥墩及周围场地的振动特性,选取哈大(哈尔滨—大连)高速铁路沿线某桥墩及周围不同场地进行了现场测试,并利用相似分析定义了无量纲参数a/(v~2/L)(列车运行引起的场地加速度峰值a与列车速度v~2除以列车总长度L的比值)和R/L(场地到桥墩的距离R与列车总长度L的比值),同时结合数值模拟对不同场地在不同季节的振动衰减特性进行了分析。研究表明:桥墩与场地的振动特性明显不同,在桥墩两侧0.8 m范围内场地的振动特性不受冻结作用的影响;在堆积填土侧Y和Z方向的振动都出现了放大,而在未堆积人工填土侧仅Z方向的振动出现了放大;在冻结季振动衰减要小于非冻结季,且冻结作用对堆积填土侧振动的影响更加显著。     

弹塑性地震反应谱的长周期特性研究

在基于性能抗震设计中弹塑性反应谱在计算结构地震位移反应方面越来越受到重视。利用统计分析方法研究了等强度的延性需求谱和等延性的强度折减系数谱的长周期(至5 s)区段的特性,关注的重点是等位移准则和场地条件影响。给出了若干具有工程价值的结论:一是周期介于1.5Tg(地震动特征周期)和2.5 s之间的结构可近似认为等位移准则成立且与场地条件关系不大,这样确定的强度折减系数当位移延性系数小于等于4时结果将是偏于安全的;二是结构周期大于2.5 s后以硬土场地等延性强度折减系数谱或等强度延性需求谱代替软土场地谱求解系统强度需求或延性需求,将会得到偏于安全的结果。     

测试水井导水性能的简便试验

这种测试水井含水层导水系数的新方法是利用井口水面空气压力阶变试验,计算出聊城井含水层的导水系数为14.4m2/d,而通过抽水试验得出的导水系数为43.6m2/d,二者有相同的数量级,但新方法比抽水试验简单易行和经济快速,用它来解释地下水微动态更合理,容易推广应用     

鄂尔多斯盆地东南部长6储层岩电关系特征

鄂尔多斯盆地东南部延长组长6储层以低孔低渗-特低渗为特征,长6岩心岩电实验分析结果表明,岩电关系复杂,其中孔隙度-地层因素(F)关系中,a、m参数变化范围大,具有相对高a值低m值的特点,同时,含水饱和度(Sw)-电阻率增大系数(I)关系除常规直线关系外,相当一部分储层含水饱和度(Sw)-电阻率增大系数(I)表现为分段线性函数关系,n参数大多小于2.0.     

带焊缝圆灯柱气动特性及焊缝影响机理研究

为了研究某实桥带焊缝圆灯柱的气动特性以及焊缝对灯柱涡激振动的影响机理,开展了灯柱刚性节段测压模型风洞试验,测试了无焊缝工况以及0°～180°焊缝位置的灯柱周向压力分布,分析了灯柱气动力以及流体卡门涡脱强度,揭示了焊缝对灯柱涡激振动的影响机理。研究结果表明：焊缝对灯柱的气动特性影响显著,不同的焊缝位置可以激发不同的流动模式,当焊缝在灯柱前驻点或者原分离点后侧时,灯柱气动特性受焊缝影响较小。当焊缝在B区域(21°～33°)和C区域(36°～63°)时,流体在焊缝附近发生分离-再附-再分离现象,卡门涡脱强度降低,灯柱的涡激振动被抑制。当焊缝在D区域(63°～78°)时,流体在焊缝位置直接涡脱,伴随着脉动风压和卡门涡脱强度的增强,使灯柱的涡激振动增大;焊缝尺寸的变化不会改变灯柱的气动力系数随焊缝位置的变化规律,但是可能会影响涡激振动风速锁定区间和振动幅值。