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。     

电梯轮轨系统平面外静力本构模型及其验证

针对电梯地震破坏中的对重脱轨现象,对电梯轮轨系统的平面外接触作用力学机理进行了研究,通过对轮轨系统导靴、导轨及其支架的各个构件的深入分析,判断了它们间的作用关系。并在一定简化基础上提出了电梯轮轨系统平面外静力本构模型,给出了轮轨系统的平面外刚度公式,并通过静力试验对该模型进行了验证,通过参数化分析探究了影响电梯轮轨系统平面外作用的关键参数。     

2022年日本福岛7.4级地震东北新干线震害分析

2022年3月16日日本福岛县发生了M7.4级地震,不仅造成了大量铁路基础设施破坏,而且导致了一辆行驶中的新干线列车脱轨。本文介绍了东北新干线在此次地震中的震害特点和应急功能恢复情况,总结了此次地震震害的典型特征及启示。通过与2021年福岛地震和2011年东日本大地震的震害情况进行比较,从强震特点、列车脱轨、土木结构损伤和电气设施损伤等几方面对该铁路系统在此次地震中的震害特点进行了分析,从抗震韧性角度讨论了此次地震应急恢复时间,总结了日本铁路设施抗震的经验和对我国铁路设施抗震的启示。分析表明：随着地震强度的增大,可能伴有轨道变形、墩柱开裂和横系梁开裂等震害现象,甚至出现列车脱轨。从震害现象的比较中,可以看出东日本大地震以来的维修加固措施是具有一定成效,但列车防脱轨系统的有效性还需进一步检验,设计还需进一步完善。     

高耸进水塔结构在地震作用下的动态响应分析

针对低周往返地震作用下的应力释放和应力调整规律,引入动态接触单元,采用El Centro地震动时程分析法,研究了接触非线性问题的高耸结构动态接触分析方法。对比分析弹性连接和动态接触方法的差异性,针对进水塔相互作用体系动力特性及响应影响规律进行讨论,将该模拟方法应用到5·12汶川地震作用下的紫坪铺1#泄洪塔工程。分析认为：考虑动态接触更符合地震作用下进水塔的实际受力情况;振动位移、速度、加速度更多地取决于地基特性,受上部结构刚度变化的影响不大;该塔体的整体稳定性可以保证,与震后复核结果相符。采用动态接触研究进水塔-岩体联合动力相互作用是十分必要的。     

列车制动力对大跨度铁路斜拉桥地震响应影响

以一大跨度铁路斜拉桥为背景,根据高速列车制动模型,获得列车制动力,采用动力时程分析方法,分析列车制动力和地震共同作用及地震单独作用下斜拉桥结构响应,在此基础上,研究列车制动力作用对结构地震响应影响。结果表明,列车制动力作用对地震作用下梁端和塔顶位移影响较塔底剪力和弯矩大。当不设置黏滞阻尼器时,列车制动力对结构地震响应影响不显著;设置黏滞阻尼器后,列车制动力对梁端位移影响显著。     

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。     

车辆-轨道系统振动响应分析--Timoshenko梁与Euler梁轨道模型的比较

近年来，铁路的高速化、高运量化以及轻微的地震灾害等因素加速了轨道结构的沉降或变形，导致车辆轨道系统振动的加剧。本文运用车辆-轨道耦合动力学理论，编制了基于Timoehenko梁钢轨模型的车辆-轨道耦合振动仿真分析软件，分析了车辆-轨道系统的垂向振动特性，并与基于Euler梁模型的VICT软件的仿真结果进行了比较分析。结果表明：仿真结果与VICT的仿真结果基本一致，但在较高频域，前者能更好地反映轮轨系统的高频特性。因而，在研究轮轨高频振动及轮轨噪声时。采用Timoshenko梁钢轨模型更具合理性。     

地震作用下边坡稳定性研究进展

对地震作用下边坡的稳定性评价和加固措施2个安全性问题,分析总结了近年来国内外地震作用下岩土边坡稳定性的分析方法及研究成果。对各种方法的优缺点进行比较和评述,指出了当前地震边坡稳定性分析研究中存在的问题,进一步阐述今后的研究方向。     

车辆荷载下路基变形特性分析

采用光纤布拉格光栅(FBG)技术监测路基动态变形,并结合数值模拟手段可以有效分析车辆荷载下路基的变形特性。本文对埋设FBG传感器的试验路段进行车辆荷载作用下路基动态加载—卸载试验,监测其动态变形响应。结合现场实测数据,通过FLAC3D软件对路基在车辆荷载下动态变形响应进行了模拟。结果表明:在1.4 t车辆荷载作用下,弹性变形均是塑性变形的8倍左右,数值模拟与现场监测获得的路基动态变形趋势一致,均以弹性变形为主、塑性变形较小;表明建模方法、参数选取及计算过程合理。在此基础上,利用经过校验的计算方法对不同车辆荷载下路基动态变形进行了多工况计算分析,分析中发现:路基弹性变形、塑性变形同车辆荷载非线性关系显著:荷载增加4倍时,弹性变形增加约4倍、塑性变形增加4倍;车辆荷载增加9倍时,弹性变形增加约11倍、塑性变形增加约13倍。因此,应对重载车辆对路基的破坏作用给予足够关注。采用现场测试与数值模拟相结合的方法,可较为高效合理地分析路基动态变形响应,为道路工程防灾减灾及安全评价提供了技术手段。     

轨道高低不平顺谱分析

基于国内外轨道高低不平顺功率谱密度拟合函数,通过编程数值计算分别对比研究了普通线路谱和高速线路谱对行车平稳舒适性、安全性、轮轨动力效应的影响.结果表明,铁科院干线谱和原长沙铁道学院谱激励下列车的平稳舒适性略优于美国六级谱,而前者的轮轨动力效应介于美国六级谱和美国五级谱之间,后者则与美国六级谱相当;时速120 km等级普通线路谱和时速160 km等级提速线路谱引起的列车行驶平稳性介于美国五级谱和六级谱之间,轮轨动力效应与美国六级谱较一致;铁科院郑武线高速谱和时速200 km等级提速线路谱引起的列车平稳舒适性介于德国高干扰谱和低干扰谱之间,而前者引起的轮轨力大于德国轨道谱,后者则与德国低干扰谱相当.同时采用三角级法给出各轨道谱的时域样本,作为车辆-轨道垂向耦合动力分析模型的轮轨激励输入,仿真计算了青藏客车YZ25T在普通轨道谱激扰下以时速90 km/h行驶和高速轨道谱激励下以时速200 km/h行驶时的轮轨竖向作用力,较好地验证了基于轨道谱密度函数的轮轨力效应分析结果.研究成果可为列车行驶振动反应分析中轮-轨不平顺激励谱的选择提供参考.