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。     

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。     

考虑轨道谱特征的高铁列车地震安全性评估

研究目的:轨道不平顺是高速列车运行过程中产生垂向振动的主要根源,利用轨道谱能从波长和幅值两方面描述轨道不平顺特征和规律。为分析不同轨道谱对我国高铁列车在地震作用下行车安全性的影响,本文建立高速铁路车-轨耦合分析模型,分别采用中国高速铁路轨道谱和德国低干扰谱数值模拟的轨道不平顺样本作为轨道系统激励,选取典型地震动作为外部激励,基于车轨耦合动力学原理,计算不同地震动强度下列车运行的安全性指标。研究结论:(1)采用德国低干扰谱进行高速铁路地震安全性评价相对于中国高速铁路轨道谱偏于保守,但两者的差异随地震动强度的增大而逐渐减小;(2)建议完善我国高速铁路轨道统计谱并应用于高铁列车地震安全性评估研究中,在保证安全的同时提升高铁运输效率;(3)本研究对评估我国高速铁路行车安全性以及合理确定我国高速铁路地震报警阈值具有借鉴意义。     

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。     

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。     

清河站建桥合一结构的车致振动舒适度研究

清河站站房结构采用建桥合一的结构体系,列车高速通过时产生车致振动的舒适度问题需要重点研究。通过车辆—轨道模型得到列车对轨道的振动激励,将激励时程输入轨道—结构—环境土体模型,计算结构动力响应的研究方法,进行车致振动的舒适度评价,对清河站的研究得到:高铁列车在到发线进出站时,清河站候车层楼板最大预测Z振级满足规范要求;在正线高速通过时,候车层楼板最大预测Z振级超过规范限值,不满足要求,通过采取结构措施可达到舒适度要求。同时得出建桥合一结构体系在高铁列车通过时,正线位置的振动响应大于到发线,行车位置的响应大于其他位置,站台层的振动响应大于高架候车层和夹层的结论。     

应用车辆-道岔-桥梁耦合动力学分析道岔-桥梁合理相对位置

为确定道岔、桥梁的合理相对位置,深入研究快速及高速行车条件下车辆-道岔-桥梁的动态相互作用,将车辆、道岔区轨道和桥梁作为一个整体,建立车辆-道岔-桥梁耦合系统动力分析模型,用数值模拟的方法计算分析高速行车条件下道岔区轨道、车辆与连续桥梁结构的动力特性及行车安全性和舒适性。以车速350 km/h通过18号国产道岔,岔桥相对位置为尖轨尖端分别位于桥跨1/4、跨中、3/4跨及墩上,通过计算出的尖轨和心轨开口量、尖轨和心轨动应力、车体振动加速度、减载率、脱轨系数、舒适性、桥梁振幅、振动加速度和梁端转角等动力响应,确定在车辆-道岔-桥梁耦合动力条件下4×32 m连续梁桥的合理岔桥相对位置。计算结果表明,18号国产道岔铺设于4×32 m连续梁桥上时,道岔尖轨尖端位于1/4跨时综合动力效果较佳。     

时速140km城市轨道交通简支梁桥竖向刚度限值研究

轨道桥梁竖向刚度限值一般由乘坐舒适度与行车安全性控制。目前正在建设中的上海轨道交通11号线南段工程,其设计车速为140 km/h,这一车速超出现有规范覆盖范围。为此,分别采用半波正弦模型和动力耦合模型分析了地铁A型列车通过多孔简支梁桥时车、桥动力响应,分别以ISO2631舒适度标准和我国高速铁路设计规范规定的舒适度标准为主要控制指标,得到了车速140 km/h城市轨道交通简支梁桥的合理竖向刚度限值。     

考虑轨道静态变位的简支梁竖向刚度限值研究

研究目的:高速铁路桥梁在徐变、温度、桥墩沉降等作用下会发生多种静态变位,进而影响轨道平顺性与列车走行舒适性和安全性。本文将桥梁静态变位与列车活载下的动态变形统筹考虑以获取简支梁竖向刚度限值,使得列车在一定轨道静态变位的简支梁上具有优良的走行性。研究结论:(1)小于活载挠度的初始桥梁上拱对列车走行性有利,而初始下挠、桥墩不均匀沉降、轨面随机不平顺及过大的初始上拱均为不利因素;(2)规范在桥梁刚度的限值上留有一定富余度,跨度越短、车速越高则对桥梁静态变位的要求越严格;(3)设计时可在预测桥梁静态变位的基础上合理选择桥梁刚度,养护时则可根据当前桥梁的实际刚度和静态变位组合采取整治措施;(4)本研究成果可为铁路桥梁刚度设计、运营维护及规范修订提供参考。     

双块式无碴轨道高速列车脱轨控制分析

针对双块式无碴轨道结构特点，提出一种新的双块式无碴轨道空间振动分析模型，进一步建立高速列车一双块式无碴轨道系统空间振动分析方法。然后，基于列车脱轨能量随机分析理论，对高速列车-双块式无碴轨道系统横向振动稳定性及高速列车是否脱轨进行了评判。计算结果表明：高速列车以300km／h速度在双块式无碴轨道上运行时，车轨系统横向振动是稳定的，列车不会脱轨，且具有n=2．143的抗脱轨安全系数。     

大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置对列车走行性影响的研究

梁端伸缩装置是大跨度桥梁的重要组成部分,是容易受损的构件之一,对高速车辆的走行性影响较大。本文针对大跨度铁路桥梁梁端伸缩装置,建立结构动力分析的有限元模型,通过多工况车-桥(线)耦合振动计算,分析梁端伸缩装置自身变形、安装误差及梁端折角等因素对列车走行性的影响,提出车辆平稳性和乘客对车辆振动感觉的评判标准,并进一步基于车辆的平稳性和乘客对车辆振动的感觉确定车速及梁端竖向折角限值。研究表明,车辆响应对梁端竖向折角较为敏感。     

再论列车脱轨能量随机分析

本文论述了国内外脱轨计算中的根本问题，车辆与轨道振动方程解的唯一性无保证，采用的激振源未包括所有引起车轨系统横向振动因素的作用，车轨系统随机振动的计算问题未解决；以轮轨相互作用力的计算为脱轨分析的突破口不恰当，现行规范规定的脱轨系数Q／P及轮重减载率△P／P际值，不能反映实际列车Q／P及△P／P的随机量大值，不能保证实际列车可能产生的最大Q／P及△P／P不超过规范限值，另外，本文继文献[1]进一步论述了列车脱轨能量随机分析的理论与实践，再次作了实例脱轨分析，与实践结果吻合，提出了预防列车脱轨措施及车轨系统抗脱轨安全系数N的计算方法。     

考虑温度变形的大跨度拱桥行车动力响应分析

研究目的:为研究温度作用下大跨度拱桥轨道静态平顺性,以及轨道温度变形对行车动力响应的影响,以目前世界最大跨度的钢箱提篮拱桥南广高速铁路西江桥为研究对象,基于梁轨相互作用模型计算温度变形下轨道静态高低不平顺校核值,并与轨道静态不平顺验收指标进行对比;将温度作用引起的轨道变形叠加到轨道不平顺样本中,利用自主开发的TRBF-DYNA软件开展高速铁路大跨度拱桥车-桥耦合振动及列车走行性分析。研究结论:(1)温度作用下桥面会发生较大竖向变形,导致钢轨变形300 m弦长高低不平顺指标超过轨道静态验收标准;(2)考虑温度变形后,桥梁动力响应及列车行车安全性指标和乘坐舒适度指标变化幅度不大,且均满足现行规范要求;(3)建议大跨度桥梁轨道变形静态验收时,以竖曲线半径指标替代300 m弦长验收指标,并辅以车桥耦合动力响应分析进行综合判断;(4)本研究成果可为完善大跨度桥上轨道变形验收指标提供参考。     

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。     

轨道不平顺作用下动车组安全运行速度限值研究

为研究无砟轨道轨向和高低不平顺对车辆-轨道耦合系统的动态影响,确定各不平顺值下的限速标准,分别建立CRH2A型车和CRH5型车计算模型。通过3σ原理将不平顺样本的10 m弦测值拟合为正态分布,取其μ±3σ的值为该样本不平顺值。计算不同速度等级、不同程度高低和轨向不平顺值时,两种车型的动力响应。研究结果表明:多数工况下CRH5型车所确定的不平顺限值小于CRH2A型车,说明CRH2A型车动力学性能更优;轨向不平顺主要引起车辆横向扰动,高低不平顺主要引起车辆垂向扰动,说明某方向上的不平顺激励主要对同方向造成扰动;列车对于横向的激励较垂向激励更为敏感,因此轨向不平顺限值通常要小于高低不平顺限值;计算得到各动态不平顺值对应的限制速度,利用轨道动静态几何不平顺之间的关系转化得到各速度等级下轨道静态几何尺寸容许偏差管理值,对规范内容有一定的补充。     

道床板上拱对高速列车-双块式无砟轨道系统振动响应影响

为研究道床板上拱对无砟轨道结构性能和行车品质的影响,建立含道床板上拱的列车-轨道系统振动分析伤损模型,编制FORTRAN计算程序并进行模型验证。基于车轨系统空间振动分析理论,分别计算4种道床板上拱类型的双块式无砟轨道在高速列车作用下的空间振动响应,分析比较此系统振动响应随道床板上拱类型,不平顺幅值及车速的影响规律,并对道床板上拱伤损评级。研究结果表明:各种道床板上拱类型的车轨系统动力响应均随运行速度和不平顺幅值的提升而增大。速度相同时,考虑了复合不平顺和离缝的上拱类型4的车轨系统振动响应最大,而仅考虑高低不平顺的上拱类型1的车轨系统振动响应最小。车速300 km/h时,高程偏差为11 mm的道床板上拱类型1引起的车体垂向振动加速度、轮轨作用力,脱轨系数和轮重减载率峰值分别为0.918 m/s2,100.740 k N,0.305和0.255;而类型4依次为2.037 m/s2,185.219 k N,12.503和1.727。上述机理和数据可为道床板上拱伤损评级提供参考。     

对论文"车桥(轨)耦合振动系统仿真中的基本问题、解决办法及其应用范围"的回复

对"车桥(轨)耦合振动系统仿真中的基本问题、解决办法及其应用范围"一文所提出的问题,进行了回复。根据文章"车桥及车轨时变系统横向振动计算中的根本问题与列车脱轨能量随机分析理论"中分析方法的主要内容,重新阐述了由作者提出的理论、计算模型等的正确性。经多例实测结果验证,未发现与实际情况有较大差距。根据提出的列车脱轨能量随机分析理论,算出5个货物列车—轨道时变系统振动实例,3个脱轨,2个不脱轨,均与实际吻合。     

列车-桥梁耦合系统非线性随机振动分析

在轨道不平顺激励下,列车过桥时发生车-桥耦合振动。由于轨道不平顺激励源是随机过程,而轮轨接触关系又是非线性的,因此,车-桥耦合振动属于非线性随机振动问题。用统计线性化方法分析车-桥非线性随机振动。轮轨接触几何关系用5个非线性函数描述,推导车-桥系统非线性振动方程。对车-桥非线性振动方程中的非线性函数进行统计线性化,得到时变的线性车-桥耦合振动方程。用虚拟激励法求解线性车-桥系统的随机响应,提出一种"显式"统计线性化方法,该法在每个时间步均无需作统计线性化迭代。最后,用Monte Carlo法验证了车-桥统计线性化随机振动分析方法具有较高的精度。算例表明,轮轨非线性接触对车辆和桥梁的随机响应影响很大,车-桥随机振动分析应合理考虑轮轨非线性接触。     

大跨度公轨两用钢桁梁斜拉桥车桥耦合效应及影响参数研究

"抱轨"行驶是跨座式单轨交通的一个显著特点.针对单轨列车与双层桥面钢桁梁斜拉桥的车桥耦合动力性能,以主跨468 m牛田洋大桥为工程背景,基于ANSYS及SIMPACK等软件建立车桥空间耦合动力模型开展联合仿真,研究不同行车速度、不同列车特性下的车、桥动力响应,并对行车安全性等进行了评估.研究结果表明:列车在通过桥梁时的竖向动力效应较弱,位移冲击系数约在1.1以内,且桥梁竖、横向位移响应均与车速无显著联系;竖向位移随过桥车辆数目的增加而增大,横向位移在单线行车时明显大于双线对开工况;桥梁与车体振动加速度均随车速递增,且车体横向振动程度大于竖向;跨座式单轨列车在列车正常行驶速度100 km/h以内通过该大跨度斜拉桥时,桥梁的动力性能优良,桥上列车具备良好的乘坐舒适性.