高速铁路地震预警系统三级警报阈值及其处置策略研究

针对高铁地震预警系统中警报阈值及其处置策略问题,设计完成高速铁路列车-无砟轨道-桥梁缩尺模型、列车-无砟轨道-路基缩尺模型及列车-有砟轨道-路基缩尺模型的振动台试验,研究了列车的脱轨现象,并用模型试验验证了数值仿真分析方法的正确性。在此基础上,通过开展动力学仿真计算,提出地震作用下高速列车安全运行的速度阈值。研究结果表明:无论是桥梁还是路基结构,CHY004地震波首先出现脱轨系数超标和轮轨分离现象,ALS地震波次之,安评地震波最后;高速列车安全运行速度阈值表现为无砟轨道路基过渡段32 m简支梁桥。从行车安全性指标来看,脱轨系数控制的安全运行速度阈值对地震动加速度变化最为敏感,呈反比例关系。最后,基于相关规定,建议高铁地震预警系统警报阈值分三级设置,即当40 gal≤预测或计测的峰值地震动加速度a80 gal时,限速160 km/h,以偏安全考虑;当80 gal≤a120 gal时,紧急停车;当a≥120 gal时,紧急停车并接触网断电。     

无砟轨道结构层对高速铁路列车—桥梁系统动力响应的影响

基于非线性弹性Hertz接触理论和Kalker蠕滑理论,建立了高速铁路列车—无砟轨道—桥梁精细化计算模型,以高速铁路32 m跨简支箱梁桥和CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,编制了MATLAB程序分别计算有(无)无砟轨道列车—桥梁系统的动力响应及列车走行安全指标并作对比分析。计算结果表明:对于桥梁的动力响应,不考虑无砟轨道时结构变位等动力响应减小;对于列车的动力响应,不考虑无砟轨道时,多数列车动力响应及走行安全指标有较大增加。     

徐变上拱对桥上纵连无砟轨道线路动力影响

研究目的:高速铁路预应力桥梁会出现徐变上拱,而高速铁路对线路平顺性要求高,预应力桥梁徐变上拱引起的不平顺对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统有何影响,是工程界十分关注的问题。本文基于列车-轨道耦合动力学理论,建立考虑无砟轨道-桥梁系统各部件间接触状态非线性的高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型并进行相应验证,运用所建模型,对列车在桥上纵连板式无砟轨道线路桥梁徐变上拱地段高速行驶时耦合系统的动力特性进行研究,旨在探讨其影响规律。研究结论:(1)桥梁徐变上拱对车体振动加速度影响非常显著,对桥梁振动加速度虽有影响,但不太显著;(2)桥梁徐变上拱对最大轮轨力、钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力均有一定的影响,但影响规律不一,对最大轮轨力影响比较小,而对钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力影响则比较大;(3)桥梁徐变上拱引起的无砟轨道-桥梁间局部脱空对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统动力特性有显著影响;(4)本研究成果可为高速铁路桥上纵连板式无砟轨道线路徐变上拱大小控制提供理论依据。     

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     

桥上纵连板式无砟轨道挠曲力计算分析

根据桥上纵连板式无砟轨道的结构特点,基于有限元方法建立桥上纵连板式无砟轨道挠曲计算模型,计算温度荷载下的挠曲力,分析列车荷载作用长度、活载入桥方式对挠曲力的影响,研究桥上纵连板式无砟轨道在挠曲力作用下的梁轨相互作用规律。结果表明:桥梁挠曲变形所引起的钢轨纵向附加力较小,其中简支梁桥上钢轨挠曲附加力不超过21.6 kN,连续梁桥上钢轨挠曲附加力不超过24.0 kN;在进行部件的受力检算时,应根据具体的部件选用伸缩力或挠曲力;与桥上有砟轨道及单元板式无砟轨道有较大不同的是,还需要根据不同的检算部件寻求最不利的挠曲力列车荷载加载方式;建议采用活动端迎车进行加载。     

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型与验证

高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力响应是高速铁路设计、施工和运维普遍关注的问题。为了较好地掌握高速列车荷载作用下的无砟轨道、路基以及地基各结构的动力响应,采用实体单元对无砟轨道结构、路基和地基进行建模,考虑扣件系统的5层垫片和弹条,以超弹性材料本构关系模拟橡胶垫片的大变形行为,以三维黏弹性静-动力统一人工边界模拟无限地基,以静动力顺序分析模拟路基和轨道的建造过程,以实测轮轨力模拟列车高速运行时产生的激励,构建高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基精细化有限元模型,采用实测数据,从动位移、动应力和动应变三方面对模型进行验证。研究结果表明,所建模型间接地考虑了空气和轨道不平顺对高速运行列车荷载的影响,考虑了扣件系统多层垫片间接触压力的传递和扩散,能很好地模拟列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基系统的动力响应,与实测结果吻合很好。高速列车荷载作用下基床表层的动应力小于20 kPa,动应变处于10με量级,表明路基处于小应变和弹性变形状态。该模型可用于深入研究高速列车荷载作用下无砟轨道-路基-地基的动力学行为,为高速铁路无砟轨道结构及路基设计、优化提供一种有效的计算分析手段。     

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。     

强横风与轨道不平顺耦合作用对高速列车运行安全性影响分析

横风对高速列车运行安全性影响十分显著,轨道不平顺影响着列车轨道相互作用关系。目前已有研究尚未充分考虑到中国高速铁路无砟轨道线路状态的变化与横风作用下高速列车安全性问题的影响。为了研究这两者的变化耦合而造成的列车安全性影响,采用计算流体力学软件和有限元软件联合仿真,建立横风-高速列车-轨道耦合动力分析模型,输入5种典型的高速铁路无砟轨道不平顺百分数谱,计算分析不同列车运行速度和风速条件下列车运行的安全性指标。结果表明,对应于25%百分位数谱,列车脱轨系数和轮重减载率最低,接下来依次是50%百分位数谱、平均谱、70%百分位数谱和90%百分位数谱。其中在列车运行速度为300 km/h下,横风速度为25 m/s时,70%百分位数谱和90%百分位数谱对应的安全性系数超出安全限值,列车可能发生脱轨。因此在设计和检算强横风作用下高速列车运行安全性指标时,宜采用中国高速铁路无砟轨道70%百分位数谱和90%百分位数谱。     

客运专线某钢管混凝土提篮拱桥列车走行性分析

针对武广客运专线胡家湾大桥,提出单箱三室箱形系梁的钢管混凝土拱桥空间振动分析模型,建立了高速列车-桥梁系统振动方程。运用列车脱轨能量随机分析理论,计算了胡家湾大桥上列车走行安全性。提出桥梁抗脱轨安全系数的计算式,并计算了该桥的抗脱轨安全系数。在列车不会脱轨的条件下,计算了该桥上列车走行舒适性。计算结果表明:ICE列车以不超过300 km/h车速通过该桥时,列车不会脱轨;桥梁抗脱轨安全系数很大,具有很高的抗脱轨安全度;在列车正常运行时,舒适性指标达到了良好以上等级。研究成果可为该桥设计提供理论依据。     

线路维修作业对简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力的影响

建立了适用于桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道的无缝线路—无砟轨道—桥梁纵向相互作用力学模型,分析连续松开扣件进行改道、垫板作业对32 m简支梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力的影响。结果表明:连续松开40个扣件,钢轨纵向力降低了24.56 kN,相当于轨温变化1.3℃产生的温度力;纵连底座板纵向力增加了26.59 kN,增加值远小于其设计检算时所采用的纵向力;剪力齿槽和桥梁固定支座的纵向力变化比钢轨和底座板小,松开扣件后剪力齿槽和桥梁固定支座的纵向力变化均10 kN,这一变化与其承载能力相比几乎可以忽略。可见,按现行《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》连续松开扣件进行线路维护作业对无砟轨道和桥梁的强度影响不大。     

天兴洲公铁分建40 m简支梁桥客运线上高速列车脱轨控制研究

基于高速列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,采用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立此系统空间振动方程。运用列车脱轨能量随机分析理论,对天兴洲公铁分建40 m简支梁桥客运线上高速列车在设计车速以内是否脱轨及在不脱轨条件下高速列车走行舒适性进行分析。研究结果表明:该桥上高速列车在300km/h车速以内运行时不会脱轨;高速列车走行舒适性均在良好标准以上;该桥竖向振动加速度满足要求。     

铁路钢板梁桥上货物列车脱轨全过程仿真

基于列车脱轨能量随机分析理论,提出了桥上列车脱轨全过程的计算方法。根据此方法,对我国京山线老滦河桥及京广线黄河桥等2座钢板梁桥上的货物列车脱轨全过程进行计算,得出列车脱轨时的车-桥系统振动响应。研究结果表明:列车脱轨时,脱轨系数、轮重减载率及桥梁横向振幅都非常大,远远超过规范规定值;脱轨时间非常短,约在0.2 s以内。与有关文献研究结果一致。该方法对于桥上列车脱轨事故再现及预防具有一定现实意义。     

基于LS-DYNA的城际高速铁路高架线路等速双向会车动力响应分析

基于LS-DYNA大型有限元仿真平台,建立了城际高速铁路高架线路双向会车动力学模型,通过测试数据对模型进行初步验证,在此基础上开展了等速交汇下的高架线路动力响应特点及规律的分析计算。计算结果表明:单向行车和双向会车对由高架线路振动引起的列车运行舒适度影响不大;在速度为100～500 km/h范围等速双向会车时桥梁跨中垂向挠度大于单向行车时的1.6～2.3倍,且在150 km/h和300 km/h出现了峰值,跨中横向挠度只有单向行车时1/2～4/5,且在400 km/h出现了峰值;2列车交会时轮重减载率略大于单向行车时减载率,而脱轨系数在大部分速度区段明显小于单向行车时脱轨系数。     

高速铁路桥梁雷达非接触测试技术研究

研究目的:我国高速铁路已超过3万公里,桥梁里程占比较大,桥梁数量众多、桥型多样、结构复杂,未来将面临大规模的检测和养护任务。因高速铁路的封闭式运营,桥梁检测的安全性及时效性要求较高,亟待研究发展线外远程非接触的测试技术,为高速铁路安全运营提供技术保障。研究结论:(1)差分干涉微波雷达具有连续、动态、远距离非接触和全天候、全天时等优点,能对高速铁路桥梁的结构参数进行在线监测;(2)在保证铁路正常运营的条件下,在线路外对武汉天兴洲长江大桥拉索频率以及铁路层桥面动态挠度进行了监测,取得了较好的效果,具有推广借鉴意义;(3)雷达对多根拉索的中部动态形变同步进行有效测试,振动信号显著及频率分辨率高,不仅能够提取拉索本身各阶频谱,而且能够准确提取桥梁结构整体的模态频率;(4)雷达测试技术可广泛应用于高速铁路桥梁结构力学参数的在线诊断,对结构的健康状态进行评估。     

列车-轨道(桥梁)系统横向振动稳定性分析

论证列车脱轨力学机理是列车-轨道(桥梁)系统横向振动丧失稳定。基于系统运动稳定性能量增量分析方法,提出列车-轨道(桥梁)系统横向振动稳定性分析的能量增量判别准则:当列车-轨道(桥梁)系统横向振动极限抗力做功增量大于系统横向振动最大输入能量增量时,横向振动状态稳定;反之,系统横向振动状态不稳定;二者相等时,横向振动状态处于失稳临界状态。基于上述准则,提出系统横向振动失稳临界车速与容许极限车速分析方法,并结合实例证明方法的可行性。采用上述方法得到高速铁路板式无砟轨道列车失稳临界车速为607.5km/h,容许极限车速为486km/h,证明我国高速铁路运行安全度较高。     

山区高速铁路隧道间桥隧连接结构探讨

研究目的:根据调整后的中长期铁路网规划,我国将建设1.6万千米以上的客运专线,而位于中西部山区的高速铁路需修建大量的桥隧工程,且大多桥隧相连、成群分布,高速列车运行对安全度要求极高,乘客舒适度也是必须考虑的问题,当两隧道间因地形条件及线路走向限制,明线间隔距离很短时,有必要对是否在桥上部设置连接防护结构及其结构型式进行深入研究,确保运营安全和提高乘客舒适度。研究结论:(1)两隧道洞口间距大于250 m时可将隧道看成独立隧道。小于250 m时,单列车通过隧道群中的每一座隧道时引起的车内压力波动相互间有影响,之间加设连接结构可降低车内3 s内最大压力变化值,有利于改善车内舒适度环境,可缓解列车频繁进出隧道,"黑洞"和"白洞"效应引起的乘客视觉疲劳问题。(2)隧道洞口坡面陡峻,存在危岩落石危害时,在采取坡面防护措施的基础上,设置连接防护结构可以有效防止小粒径落石对运营安全的威胁。(3)连接防护结构采用柔性防护网钢结构,具有安全可靠、经济适用的优点,在进行落石冲击试验后可以用于实际工程。     

高速铁路道岔区桥梁设计综述

综合桥上无缝线路和无缝道岔的技术特点,桥上铺设无缝道岔对高速铁路桥梁设计提出了更高的要求。针对高速铁路咽喉区和渡线道岔区特点,确定无砟轨道无缝道岔对桥梁结构变形及梁缝位置的要求,提出道岔区桥梁设计原则与技术要求,以及典型道岔区桥梁布置以及结构形式。高速铁路道岔区桥梁设计以道岔与桥梁相互作用理论为基础,充分考虑轨道作用力的影响,通过车-岔-桥耦合动力响应分析,确保高速列车运行的安全性、平稳性。     

高速综合检测试验列车研发设想

综合检测列车是一种综合检测高速铁路质量达标的高速列车。在时速350 km中国标准动车组基础上,研发高速综合检测试验列车,配套先进的高速综合检测试验设备,同时研发代表新技术发展趋势的高速动车组关键系统平台,开展高速动车组新技术工程化应用及试验,进一步提升我国铁路安全综合检测技术水平和动车组技术水平。介绍了高速综合检测试验列车研发的背景、总体目标、总体技术方案和关键技术。