地震作用下车辆-轨道-桥梁系统振动台台阵试验与列车预警速度阈值研究

针对地震作用下高速铁路桥上行车的安全性问题,设计完成车辆-轨道-桥梁大型振动台台阵缩尺模型试验,制作了1∶10车辆、轨道及桥梁结构的模型,根据缩尺模型相似定理研究了不同地震强度下列车脱轨问题,并利用数值仿真方法建立了CRH380BL高速列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,通过对比分析试验结果与数值仿真分析结果,验证了数值分析模型的可靠性。在此基础上,以行车安全性及舒适度指标作为评判标准,利用上述仿真分析模型计算得到了不同地震强度等级下各项评价指标所对应的列车运行速度临界值,并探讨了现行规范中的地震预警阈值选取问题。研究结果表明:对于静止状态下的车体模型,在地震动峰值加速度为0.25g的ALS地震波作用下,车体将会发生脱轨。随着输入地震动峰值加速度的增大,舒适度指标最先超出限值,车辆的行车安全性指标次之,脱轨系数和舒适度指标控制的速度阈值逐渐减小,轮重减载率和横向轮轨力控制的速度阈值基本不变,舒适度指标对地震激励最为敏感,脱轨系数次之,轮重减载率和横向轮轨力最不敏感。在输入地震波的峰值加速度≤50gal时,车辆运行速度临界值取决于列车舒适度指标,速度阈值为160km/h;当输入地震波的峰值加速度达到60gal时,速度阈值降为140km/h;当输入地震波的峰值加速度达到80gal时,速度阈值降至140km/h以下,出于安全考虑建议此时采取紧急停车措施。     

列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基系统加速度响应大型振动台试验研究

为探究高速铁路在地震作用下的响应特征,同时为高速铁路地震预警提供试验验证,开展了国内首次大比尺列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道-路基体系振动台试验,以CRH380BL型列车为原型,钢轨、扣件、列车、轨道板等构件依据相似比进行精加工,选用黄河大桥桥址地震波进行加载。试验结果表明:路基高程对水平向加速度增幅明显;加载0.12g地震波时,轮轨相互作用竖向响应强于水平向;现行停车阈值设置合理;转向架水平向减震效果明显;地震波幅值≤0.14g时,钢轨处加速度放大系数与地震波幅值成正相关,列车的振动模式在0.14g后发生变化,放大系数起伏不定,但均值仍大于0.14g以前系数。该研究成果可为高速铁路地震预警进一步的研究提供指导。     

基于谱密度强度指标的高铁地震报警阈值计算方法

为了提高高铁地震紧急处置系统的可靠性,研究地震动谱密度强度作为地震报警阈值的计算方法。采用典型的车辆—轨道耦合动力学模型,通过选取不同频率的横向正弦波作为外部激励,对车辆的动力响应进行分析,得到车辆的动力响应随荷载幅值与频率变化的规律;在此基础上求解不同车速下列车脱轨和倾覆时正弦波的临界幅值和对应的速度反应谱,从而得到影响列车运行安全的地震动临界谱密度强度,将其作为高铁的地震报警阈值,将实时计算得到的地震动谱密度强度与临界谱密度强度进行比较,即可判定高铁列车的行车安全性以及是否应发布地震警报并采取紧急处置措施。     

基于行车安全的连续轨道桥梁抗震设计研究

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,以轨道交通中广泛使用的连续轨道桥梁为研究对象,通过建立的地震荷载作用下车—轨—桥系统动力响应分析模型,模拟了列车在不同强度和卓越频率的人工地震波作用下过桥的全过程,分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对车辆与桥梁结构动力响应的影响;采用日本关于行车安全度的评价指标(脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力)作为地震时桥上车辆运行安全的评定标准,以列车脱轨临界状态时的桥梁动力响应作为桥梁振动的限值,统计得到了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,绘制了桥梁振动限值曲线,并利用拉格朗日插值法得到曲线的数学表达式。研究结果表明,规范规定的桥梁横向位移限值有时不能满足地震作用下车辆运行安全的要求,对位于地震区的连续轨道桥梁横向振动位移限值的确定需要考虑地震动强度和频谱特性的影响。     

基于行车安全的连续轨道桥梁抗震设计研究北大核心

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,以轨道交通中广泛使用的连续轨道桥梁为研究对象,通过建立的地震荷载作用下车—轨—桥系统动力响应分析模型,模拟了列车在不同强度和卓越频率的人工地震波作用下过桥的全过程,分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对车辆与桥梁结构动力响应的影响;采用日本关于行车安全度的评价指标(脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力)作为地震时桥上车辆运行安全的评定标准,以列车脱轨临界状态时的桥梁动力响应作为桥梁振动的限值,统计得到了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,绘制了桥梁振动限值曲线,并利用拉格朗日插值法得到曲线的数学表达式。研究结果表明,规范规定的桥梁横向位移限值有时不能满足地震作用下车辆运行安全的要求,对位于地震区的连续轨道桥梁横向振动位移限值的确定需要考虑地震动强度和频谱特性的影响。     

高速铁路板式无砟轨道-路基结构动力特性研究

针对列车走行的实际情况,将板式无砟轨道-路基作为参振子结构纳入车辆计算模型,建立包含车辆、钢轨、板式轨道和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,分析列车速度对车辆运行品质、系统动位移以及动应力的影响。结果表明:车体加速度、动轮载和轮重减载率均随车速的提高而增大,呈线性分布,当列车高速通过无砟轨道-路基结构时,列车运行的安全性和舒适度指标都能满足要求;系统动位移受速度影响较小;轨道板易发生疲劳破坏,需采用双层、双向配筋;路基面动应力随速度的提高而增大,但数值比有砟轨道的小;路基动应力沿路基深度方向衰减较慢,在基床表面下3 m处,动应力只有基面的25%左右;无砟轨道的基床加速度远小于有砟轨道的加速度值,表明无砟轨道结构可以有效地改善列车荷载对路基基床的振动作用。     

地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。     

CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基动力响应现场试验研究

为研究运营多年后高速铁路无砟轨道路基振动特性，对沪宁城际高铁路基段进行了现场实车测试。结果表明：板端位置，无砟轨道路基各结构层振动加速度值沿垂向快速衰减，呈指数趋势；板中位置，无砟轨道路基各结构层振动加速度值沿垂向平缓衰减，呈大致线性趋势。路基面和路肩处振动加速度值在板端、板中位置均较为接近；板端特殊位置主要对轨道板和底座板的振动响应有放大效应，且列车速度对板端振动加速度的放大效应最为显著。无砟轨道路基结构中轨道板、底座板振动位移随列车运营速度的变化大致呈线性关系，而路基封闭层和路肩位置振动位移随车速提高变化趋势不明显，与京津、武广、郑西等高铁路基内侧所测动位移分布规律一致。     

非一致地震输入阻尼对车桥系统地震响应的影响

为简化列车-轨道-桥梁耦合系统的地震力输入,基于多点多维地震响应分析理论,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耦合系统地震力边界,推导地震力表达式,并将其地震速度项定义为阻尼项。在已有程序TTBSAS的基础上编制考虑阻尼项与不考虑阻尼项2种分析模块,以跨度(48+5×80+48)m的刚构-连续梁桥、板式无砟轨道和ICE3高速列车为例,输入San Fernando地震波,探讨不同非一致地震输入方法阻尼项对耦合系统地震响应的影响。研究结果表明:输入地震加速度的相对运动法和大质量法阻尼项的影响远大于输入地震位移的直接求解法和大刚度法,且随质量阻尼系数α的增大而增大;忽略相对运动法和大质量法的阻尼项会低估列车的脱轨系数和轮重减载率,可能造成对桥上列车行车安全的误判;直接求解法和大刚度法可仅输入地震位移,相对运动法和大质量法需同时输入地震加速度和速度。     

遂渝线无砟轨道桩网结构路基现场动车试验测试分析

遂渝线无砟轨道综合试验段是我国首条成区段铺设的无砟轨道铁路,在综合试验段上试用桩网结构解决土质路基上铺设无砟轨道的技术难题.为考察桩网结构路基在不同列车荷载作用下的响应规律,尤其是对网垫层的动力作用大小,结合工程实践,对无砟轨道桩网结构路基进行现场动车组和货物列车试验测试.结果表明:采用无砟轨道结构可以有效改善列车荷载对路基基床的动力作用,测得的动应力与加速度值均远小于有砟轨道结构测得的值;列车轴重对无砟轨道路基的动应力影响明显,对加速度响应也有一定影响;无论是动车组还是货物列车,其运行速度对路堤部分的动响应影响均有限;动应力与加速度经3 m高的路堤后衰减,对桩网结构路基下部的网垫层已基本无影响.     

地震作用下路基上列车脱轨响应的振动台试验研究

为探究路基上列车在不同特性及幅值地震波作用下的脱轨特性,开展大型振动台模型试验,详述列车脱轨系数的测量方法,加载地震波选用郑州黄河大桥桥址地震波(ZHQ)及CHY004地震.试验结果表明:模型在加载现行规范中停车阈值工况(0.12g)时,列车不同轮对脱轨系数峰值均小于0.8;随着加载地震波幅值增加,各轮对的脱轨系数峰值...     

路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响

基于列车—轨道耦合动力学理论,建立能够考虑无砟轨道-路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维非线性有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上无砟轨道线路上高速行驶时,在路基不均匀沉降作用下,列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:(1)路基不均匀沉降对车体振动加速度影响极大,路基不均匀沉降对车体振动加速度的影响与无砟轨道类型关系不大;(2)路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性有一定的影响,影响小于对车体振动加速度的影响,路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性的影响与无砟轨道类型有一定的关系,总体来讲,路基不均匀沉降对I型板式无砟轨道动力特性的影响要大于对双块式及Ⅱ型板式无砟轨道的影响。     

双机重载牵引下既有铁路桥梁竖向动力响应研究

为分析桥上有砟轨道结构在重载列车作用下的竖向动力响应,基于ANSYS建立有砟轨道—桥梁系统动力分析有限元模型,将列车荷载简化为集中力,分析研究中—活载及和谐号双机重载列车移动活载作用下桥梁和轨道结构的竖向位移和加速度动力响应。研究结果表明:轨道和桥梁结构跨中竖向位移和加速度响应在HXD1+HXD3+C80作用下最大,最大值为12.60 mm和3.27 mm/s~2,挠跨比为3.94×10~(-4),均小于规范中40 mm,350 mm/s~2和2.5×10~(-3)的要求;行车速度对轨道桥梁结构竖向位移响应影响很小,竖向加速度随着行车速度的增大而增大;增大桥梁刚度可以降低轨道桥梁结构系统的竖向位移和加速度响应,提高行车稳定性和乘客的舒适度;对既有铁路有砟轨道桥梁,应限定行车速度,采取相应的加固措施提高刚度以保证车—轨—桥系统的安全。     

车-轨-桥耦合系统中的非一致地震输入方法研究

为分析地震输入方法对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响,考虑路基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输入非一致地震激励,建立不同地震输入方法下的列车—轨道—桥梁动力分析模型,以跨度(48+5×80+48)m的刚构-连续组合梁桥为例,对比不同地震输入方法下车桥系统的地震响应。结果表明:大刚度法与直接求解法求得的车桥地震响应完全相同;大质量法求得的脱轨系数和轮重减载率相比直接求解法偏大,最大偏差达44.0%和26.4%;相对运动法求得的脱轨系数、轮重减载率和桥梁位移相比直接求解法偏小,最大偏差分别为32.5%,12.8%和51.9%。由于大刚度法只需输入地震动位移时程,相比直接求解法计算更为简便,因此,在列车-轨道-桥梁耦合系统中大刚度法是输入非一致地震激励的最优方法。     

大跨度轨道桥梁在地震及列车荷载作用下的动力响应分析

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,通过建立地震荷载作用下车-轨-桥系统的动力响应分析模型,以跨越长江的武汉天兴洲公铁两用斜拉桥为研究对象,运用计算机仿真的方法,模拟了列车在不同强度和频率正弦波作用下过桥的全过程。分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对地震发生时车辆与桥梁结构动力响应的影响,以脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力作为评价标准,给出了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,可供轨道桥梁抗震设计时参考。     

大跨度轨道桥梁在地震及列车倚载作用下的动力响应分析

为探讨实用的轨道桥梁抗震设计方法,通过建立地震荷载作用下车-轨-桥系统的动力响应分析模型,以跨越长江的武汉天兴洲公铁两用斜拉桥为研究对象,运用计算机仿真的方法,模拟了列车在不同强度和频率正弦波作用下过桥的全过程。分析了车辆类型、地震强度和频谱特征等因素对地震发生时车辆与桥梁结构动力响应的影响,以脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力作为评价标准,给出了确保地震发生时列车安全运行的桥梁容许横向位移限值和横向加速度限值,可供轨道桥梁抗震设计时参考。     

日本上越新干线列车脱轨事故探究

日本新县中越地区于2004年10月23日发生里氏6.8级浅层直下型地震,地震引起线路剧烈横向晃动和上下起伏震动,导致列车脱轨。在新干线沿线加大地震早期检测预报系统布设密度,研究新的地震波检测方法以及地震预报技术和装置。研究和试验L型防脱轨护轮轨,并对鱼尾板进行加厚改造。在转向架上安装振动加速度检测仪,提高制动反应速度。在转向架轴箱下面安装反L型车辆导向装置,车辆脱轨后,导向装置会钩住钢轨,防止车辆过远偏离轨道溜逸。用厚钢板包覆桥墩、向桥裂缝灌注树脂和用碳纤维布等方法对桥梁进行加固。通过对列车脱轨事故分析和采取的对策,为我国铁路建设提供参考和借鉴。     

地震作用下高速铁路列车—无砟轨道—桥梁系统动力响应及列车走行安全研究

在总结和吸收既有研究成果的基础上,以铺设CRTSⅡ板式无砟轨道的高速铁路简支梁桥为工程背景,对地震作用下高速铁路列车—无砟轨道—桥梁的动力响应及列车走行安全性进行系统研究,提出地震时不同条件下高速列车在桥上安全运行限速     

基于车辆-轨道单元的无砟轨道动力特性有限元分析

根据CRTSⅡ型无砟轨道系统结构特点,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出一种包含钢轨、扣件、轨下垫板、预制轨道板、CA砂浆层、混凝土支承层及路基的无砟轨道单元,并推导该单元刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。运用Lagrange方程建立高速列车通过时无砟轨道动力特性分析的有限元数值方程。结合实例,研究无砟轨道轨下垫板、CA砂浆层、路基等结构参数对轨道振动的影响,并对有砟轨道与无砟轨道连接段动力特性进行分析,分析时考虑列车速度、轨道基础刚度等影响因素。计算结果表明:无砟轨道结构参数合理取值与刚度合理匹配可显著提高轨道整体工作性能;连接段轨道基础刚度变化对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随列车速度提高而增大;连接段采取轨道刚度渐变过渡措施,可明显降低车辆-轨道结构冲击振动,有效改善行车品质。     

制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应分析

为研究制动荷载作用下桥上无砟轨道动力响应问题,建立车辆子系统模型和无砟轨道-桥梁子系统模型。根据高速列车制动减速度特性曲线确定列车制动力,利用Hertz理论求解轮轨力,通过交叉迭代法求解有限元数值方程。以4节编组的CRH2型动车组在桥上无砟轨道制动为例,进行系统动力响应分析。研究结果表明:轨道、桥梁结构的纵竖向位移和加速度均逐层递减,梁端处轨道结构的竖向振动比跨中处大;列车制动过程中列车速度逐渐减小引起轨道结构的竖向动力响应也减小;列车停车后,轨道结构和桥梁的纵向位移反向突变、纵向加速度突变,随后都有自由衰减的趋势;列车停车瞬间,列车和桥梁出现纵向最大振动。研究成果可为桥上无砟轨道的设计提供理论支持。