非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动及行车安全性研究

摘要

地震在影响桥梁结构本身安全性的同时，还会威胁其上列车的行车安全。对于高速铁路桥梁，除需满足桥梁抗震之外，还应确保地震时过桥车辆的行车安全性。理论研究和震害经验都表明，地震动具有空间变异性，包括行波效应、失相干效应、局部场地效应和衰减效应。因此，针对高速铁路桥梁，开展非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动及桥上列车的行车安全性研究具有重要意义，这已成为保证高速铁路安全运营的关键课题之一。本文围绕该课题开展了系列研究，其主要工作和成果如下:
　　(1)提出了空间相关的多点多维地震动合成方法。基于谱方法的随机场理论，借助功率谱密度函数来描述地震动随机场，同时考虑不同点、不同向地震动分量间的相关性，分别采用Clough-Penzien模型和屈铁军-王君杰相干模型来描述平稳自功率谱和平稳互功率谱，建立了空间相关的多点多维地震动合成方法。
　　(2)建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型。基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论，建立了35个自由度的机车车辆模型、三层弹性点支撑有砟轨道模型、板式无砟轨道模型和桥梁有限元模型，并将新型轮轨关系假设引入耦合系统，建立了新型轮轨关系模型。同时，分别针对有砟轨道和板式无砟轨道，通过桥轨接触界面处的静力平衡关系和位移协调条件建立了桥轨关系模型。在此基础上，详细考虑路基地震力边界条件和桥梁地震力边界条件，分别采用直接求解法、相对运动法、大质量法和大刚度法处理地震力边界条件，建立了非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型。
　　(3)编制了列车-轨道-桥梁-地震分析系统程序。基于Compaq Visual Fortran6.5平台，通过显式-隐式混合积分法求解非一致地震激励下的列车-轨道-桥梁耦合振动方程，编制了列车-轨道-桥梁-地震分析系统程序TTBSAS，并对该程序的有效性进行了验证。TTBSAS可实现无震和有震条件下的列车-轨道-桥梁耦合振动分析，并可根据需要选择直接求解法、相对运动法、大质量法和大刚度法采用一致激励、行波激励和多点激励三种模式输入地震波。
　　(4)探讨了几个关键因素对列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应的影响。以TTBSAS程序为计算工具，针对跨度(48+5×80+48)m的刚构-连续组合梁桥，探讨了直接求解法和相对运动法阻尼项、结构拟静力分量以及不同非一致地震输入方法对列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应的影响。结果表明，不考虑直接求解法和相对运动法阻尼项对桥梁和钢轨动力响应的影响较小，但会使车体质心加速度偏大;结构纵向拟静力分量对耦合系统的动力响应无影响，而横向拟静力分量会显著增大列车的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力;大刚度法与直接求解法完全等效，而大质量法和相对运动法分别会过高和过低估计车辆的动力响应。
　　(5)分析了非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合系统的振动特征。以TTBSAS程序为计算工具，针对北盘江445m上承式拱桥，通过大刚度法输入合成的多点多维地震时域样本，分析了行波效应、地震完全空间变异性对列车-轨道-桥梁耦合系统动力响应的影响。结果表明，地震完全空间变异性对耦合系统动力响应幅值的影响剧烈，仅考虑行波效应，可能会低估桥上车辆的动力响应。
　　(6)研究了非一致地震激励下高速列车过桥的行车安全性。以脱轨系数超限持续时间、轮重减载率超限持续时间、接触点横移量以及车轮抬升量为评判指标，研究了非一致地震激励下高速列车通过北盘江特大桥时的行车安全性。结果表明，地震动空间变异性对列车行车安全性评判指标的幅值有影响，但对最终列车过桥的安全车速阂值影响不大。有震条件下，如果仍采用传统的稳态脱轨系数和轮重减载率去评判桥上列车的行车安全性，可能会低估列车过桥的安全车速阈值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 列车-桥梁动力相互作用研究综述

1．2．1 研究历史

1．2．2 研究现状

1．2．3 研究进展

1．3 地震作用下列车-桥梁动力相互作用研究综述

1．4 主要研究内容

第2章 非一致地震激励合成与输入方法

2．1 概述

2．2 地震动的空间变异性

2．2．1 行波效应

2．2．2 失相干效应

2．2．3 局部场地效应

2．2．4 衰减效应

2．3 空间相关的多点多维地震动合成方法

2．3．1 多点多维随机地震动场的模拟

2．3．2 平稳多点多维地震动时域样本的合成

2．3．3 非平稳多点多维地震时域样本的合成

2．3．4 地震动时域样本的校正

2．3．5 合成实例

2．4 非一致地震输入方法

2．4．1 直接求解法

2．4．2 相对运动法

2．4．3 大质量法

2．4．4 大刚度法

2．4．5 算例

2．5 本章小结

第3章 非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动模型

3．1 概述

3．2 坐标系定义

3．3 地震作用下的列车-轨道-桥梁耦合振动模型

3．3．1 车辆模型

3．3．2 轨道模型

3．3．3 桥梁模型

3．3．4 轮轨关系模型

3．3．5 桥轨关系模型

3．3．6 地震力边界条件

3．4 地震作用下的列车-轨道-桥梁耦合振动方程

3．5 本章小结

第4章 列车-轨道-桥梁-地震分析系统程序

4．1 概述

4．2 数值求解方法

4．2．1 Zhai方法

4．2．2 Newmark-β法

4．3 程序设计

4．4 程序验证

4．4．1 列车-轨道-桥梁耦合系统试验验证

4．4．2 非一致地震输入模块理论验证

4．5 本章小结

第5章 列车-轨道-桥梁系统中非一致地震输入方法研究

5．1 概述

5．2 计算参数

5．3 非一致地震输入方法阻尼项的影响

5．3．1 对桥梁动力响应的影响

5．3．2 对轨道动力响应的影响

5．3．3 对车辆动力响应的影响

5．3．4 结论

5．4 结构拟静力分量的影响

5．4．1 单向拟静力分量的影响

5．4．2 三向拟静力分量的影响

5．4．3 结论

5．5 不同非一致地震输入方法计算结果对比

5．5．1 桥梁动力响应对比

5．5．2 轨道动力响应对比

5．5．3 车辆动力响应对比

5．5．4 结论

5．6 本章小结

第6章 非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动研究

6．1 概述

6．2 沪昆高铁北盘江大桥概况

6．3 结构自振特性分析

6．4 有／无震条件下列车-轨道-桥梁耦合振动特征探讨

6．4．1 不同编号车辆动力响应幅值分布对比

6．4．2 耦合振动特征分析

6．5 非一致地震激励下列车-轨道-桥梁耦合振动研究

6．5．1 行波效应的影响

6．5．2 完全空间变异性的影响

6．6 本章小结

第7章 非一致地震激励下桥上列车的行车安全性研究

7．1 概述

7．2 地震作用下的列车脱轨评判指标

7．2．1 现行评判标准及缺陷

7．2．2 最新研究进展

7．2．3 本文采用的评判指标

7．3 新型脱轨评判指标随地震动强度的变化规律探讨

7．3．1 脱轨系数及超限持续时间

7．3．2 轮重减载率及超限持续时间

7．3．3 接触点横移量

7．3．4 车轮抬升量

7．3．5 结论

7．4 高速列车过桥的安全车速阈值研究

7．4．1 分析方法

7．4．2 最大值响应分析

7．4．3 安全车速阈值

7．4．4 结论

7．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果