地震作用下高速鐵路橋梁的動力響應(yīng)及行車安全性研究.pdf

1、本文是國家自然科學(xué)基金項目“地震作用下高速鐵路橋梁的動力響應(yīng)及行車安全控制研究”的研究成果。高速鐵路為滿足線路平順性和穩(wěn)定性的要求，可能建造連續(xù)幾公里甚至幾十公里的高架橋，使得地震發(fā)生時列車在橋上的幾率很大。地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)及其對橋上車輛運行安全性的影響是一項重要的研究課題。本文在總結(jié)和吸取前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對高速鐵路列車-橋梁系統(tǒng)在地震作用下的耦合振動進行研究，在對國內(nèi)外高速鐵路車橋系統(tǒng)動力相互作用問題及橋梁抗震問題

2、的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀進行綜述的基礎(chǔ)上，建立了車-橋系統(tǒng)動力相互作用的地震反應(yīng)分析模型，編制了相應(yīng)的分析軟件，較為全面地研究了地震對高速鐵路車橋系統(tǒng)的影響，總結(jié)了各國對高速鐵路車橋系統(tǒng)安全性的評價標(biāo)準(zhǔn)，并對地震發(fā)生時高速列車在橋上安全運行的臨界速度問題進行了初步探討。主要研究內(nèi)容包括： 1.總結(jié)了實用的高速鐵路橋梁地震反應(yīng)分析模型建立方法。從工程上實用的橋梁抗震角度出發(fā)，論述了建立高速鐵路橋梁抗震分析模型的具體處理方法，即利用目前

3、的大型通用結(jié)構(gòu)有限元程序通過對橋梁結(jié)構(gòu)各組成部件(包括橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身、支座、伸縮縫以及基礎(chǔ)支承邊界等)進行合理的單元劃分，可以快速地建立正確的橋梁結(jié)構(gòu)計算分析模型。此外，還推導(dǎo)了長大跨度橋梁考慮多點激勵和行波效應(yīng)的結(jié)構(gòu)運動微分方程。 2.建立了較完善的車輛動力分析模型。根據(jù)我國中高速客車的車輛結(jié)構(gòu)形式，以具有獨立轉(zhuǎn)向架的二系懸掛四軸客車為主要研究對象，建立了由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和輪對等剛體組成的車輛空間振動計算分析模型，共具有3

4、1個自由度，其中車體和前、后轉(zhuǎn)向架各考慮橫移、側(cè)滾、搖頭、沉浮、點頭5個自由度，每個輪對考慮橫移、側(cè)滾、搖頭、沉浮4個自由度。 3.基于輪軌幾何關(guān)系和輪軌接觸的蠕滑理論建立了動態(tài)輪軌關(guān)系模型。詳細(xì)介紹了求解具有任意輪軌型面配合的空間輪軌接觸幾何關(guān)系的方法以及根據(jù)輪軌接觸幾何參數(shù)確定輪軌接觸力的方法。采用空間動態(tài)輪軌關(guān)系模型，通過計算某一時刻左、右輪軌最小垂向間距的方法確定出左、右輪軌接觸點坐標(biāo)，從而確定接觸幾何參數(shù)，然后采用非線

5、性赫茲接觸理論計算輪軌法向力；采用Kalker線性理論求解小蠕滑率情形下的蠕滑力，并用Shen-Hedrick-Elkins理論進行非線性修正使之也適用于大蠕滑率的情形。該方法能考慮輪軌彈性變形和輪軌瞬時脫離的情形，可以更好地反映高速鐵路上車輛高速運行時的實際狀態(tài)。 4.首次建立了考慮多點激勵與行波效應(yīng)的車-橋地震反應(yīng)分析模型。綜合運用車輛動力學(xué)理論、輪軌相互作用原理和橋梁抗震分析理論，從統(tǒng)一大系統(tǒng)角度出發(fā)，將橋梁在地震作用下的

6、運動方程和車輛振動方程通過橋梁子系統(tǒng)與車輛子系統(tǒng)間的非線性輪軌接觸關(guān)系聯(lián)系起來，建立了可以考慮多點激勵和行波效應(yīng)影響的車-橋耦合振動系統(tǒng)地震反應(yīng)分析模型，地震荷載通過影響矩陣作用于橋跨結(jié)構(gòu)，通過動態(tài)輪軌接觸關(guān)系作用到車輛上。并編制了相應(yīng)的車-橋耦合系統(tǒng)地震反應(yīng)分析程序，通過與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證了所建立的車-橋耦合系統(tǒng)振動分析模型和計算程序的正確性。 5.地震作用下車輛運行安全性評價標(biāo)準(zhǔn)研究。對傾覆脫軌、爬軌、跳軌、掉道脫軌等不

7、同的脫軌形式以及影響車輛脫軌的主要因素進行了論述，較為系統(tǒng)地分析了高速鐵路關(guān)于列車運行安全的評定指標(biāo)，并對日本關(guān)于地震作用下車輛運行安全性標(biāo)準(zhǔn)及其簡化評估指標(biāo)的確定方法進行了詳細(xì)的介紹。 6.研究了地震作用下高速鐵路連續(xù)梁橋的動力響應(yīng)及列車走行安全性。以擬建京滬高速鐵路線上的某連續(xù)梁橋為例，研究高速列車在不同地震激勵下、以不同車速通過連續(xù)梁橋時的車輛與橋梁的動力響應(yīng)。通過將有、無地震發(fā)生時車橋系統(tǒng)的動力響應(yīng)進行對比，分析了地震對

8、高速鐵路車橋系統(tǒng)動力響應(yīng)特性的影響，系統(tǒng)地探討了地震波行波效應(yīng)、列車運行速度、地震動強度及地震波頻譜特性等對中高速車輛走行性能的影響，總結(jié)了影響地震時高速列車運行安全性的主要因素。 7.初步探討了地震發(fā)生時高速列車在橋上安全運行的臨界速度問題。依據(jù)目前在我國高速鐵路研究中普遍采用的列車安全性評定指標(biāo)，初步探討了地震發(fā)生時高速列車在橋上安全運行的臨界速度問題，得到了相應(yīng)于各類場地土不同地震動強度激勵下的安全臨界速度限值，可供實際工