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。     

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。     

车桥耦合动力分析中地震动输入模式的研究

依据地震作用下车桥动力相互作用的特点,建立地震-车-桥简化耦合模型和多自由度耦合模型,进行理论推导,研究采用地震动位移输入、加速度输入模式进行考虑地震作用的车桥耦合动力分析的特点和适用性.以8辆车编组的高速列车通过3跨钢桁拱桥为研究对象,考虑行波效应,进行地震动位移输入和加速度输入2种模式下的车桥耦合动力响应的数值计算对比分析.研究结果表明:位移输入模式对于所有轮轨关系均能适用;而加速度输入模式仅适用于轮轨关系为线性的情况,并且需要考虑拟静力分量对车桥耦合系统的影响;对轮轨关系为非线性的情况,采用地震动加速度输入模式,在车速超过80 m· s-1时会导致耦合系统动力响应被严重低估.     

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。     

基于弦测技术的铁路上承式拱桥桥面变形限值研究

铁路拱桥桥面过大变形将危及列车行驶和桥梁结构的安全,但已有关于拱桥变形限值标准及评判依据的研究较为少见。以某上承式拱桥为研究对象,建立桥梁全桥有限元模型并进行车桥耦合振动分析,研究温度及不同倍数徐变引起的桥面变形对列车动力响应的影响,对比分析弦测法弦长与列车在轨道和上承式拱桥上运行的动力响应间的对应关系。结果表明:仅考虑轨道不平顺激励时,30～50 m弦测法能够较好地反映高速列车的加速度响应的变化规律;上承式拱桥徐变倍数为1.6时,车辆竖向加速度响应超限;仅轨道不平顺作用下列车竖向加速度卓越频率约为1 Hz,运行在上承式拱桥上时的卓越频率在1～2 Hz,说明影响振动的波长范围由长波向中长波扩展;弦测法用于上承式拱桥时,采用20～30 m弦长;上承式拱桥温度及徐变极限变形20,25,30 m弦测矢量值为3.8,4.3,5.3 mm,对应的限值可采用3.5,4.0,5.0 mm。     

行波效应对大跨度上承式钢桁拱桥地震响应的影响

为研究行波效应对大跨度上承式钢桁拱桥地震响应的影响,以场地安全评估报告的人工波作为输入地震波,对目前世界上跨度最大的上承式铁路钢桁拱桥——跨度为490 m的怒江特大桥进行了一致地震激励和非一致地震激励时程分析。结果表明:行波效应对大跨度上承式钢桁拱桥地震响应影响很大,但行波地震响应与波速间不存在单调变化关系,为保证设计安全性,应根据工程场地情况选取多种剪切波速计算行波效应对结构的影响。     

高铁桥梁震时行车安全性评价的梁端变位限值研究

地震时桥梁端部易产生变位,对桥上列车的行车安全构成威胁。为研究基于梁端变位对震时列车行车安全性进行评价的方法及相应限值标准,建立车轨耦合振动模型。将梁端变位对应的轨道变形曲线作为静态不平顺施加到轨道上,地震导致的轨底激励以正弦波的形式通过大质量法作用于轨底,分析给定梁端变位、轨底激励及运行车速对列车行车安全性的影响。研究结果表明：列车脱轨风险与三者均正相关,因此在确定地震时梁端变位限值时应同时考虑三者的影响。通过二分法搜索得到不同频率和幅值的正弦激励下、列车以不同车速运行时,脱轨系数和轮重减载率达到限值时对应的3种形式梁端变位的界限值,取97.5%保证率得到不同车速对应的梁端变位限值。以5跨高铁32 m标准跨简支梁桥为例,进行地震作用下车-轨-桥耦合振动分析,得到按动态方法确定的梁端变位临界值,通过与按静态变位加轨底激励计算得到的震时梁端变位限值进行对比,验证了所提出的变位限值的正确性。依据所提出的方法和梁端变位限值,可采用地震下桥梁动力分析代替车轨桥耦合振动分析对高铁列车震时行车安全做出快速评价。     

考虑非一致地震输入的车-桥系统动力响应分析

针对地震对列车在高速铁路桥梁上走行安全性的影响,将桥梁在地震作用下的运动方程和车辆振动方程通过桥梁子系统与车辆子系统间的非线性轮轨接触关系联系起来,建立可考虑行波效应影响的长大跨度桥梁—列车耦合系统的地震反应分析模型。利用车—桥系统地震反应分析程序,对高速列车在不同特征地震荷载作用下通过某高速铁路连续梁桥进行仿真分析,研究列车速度和地震波行波效应对车—桥系统动力响应的影响。研究结果表明:地震波行波效应对车—桥系统的振动响应有重要影响,并不总是地震波行波速度越大,车辆的动力响应的计算结果越接近一致激励时的相应值;在进行大跨度连续梁桥车—桥系统的地震反应分析时,应按桥址处的实际场地土特性考虑地震波行波效应的影响;地震荷载作用时车体的横向振动加速度以及各项安全评价指标均随列车速度的提高而增大,在评价地震作用下高速铁路连续梁桥上列车的走行安全性时,必须考虑列车运行速度的影响,给出了确保地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度限值。     

汽车动力作用对曲线梁桥地震反应特性的影响分析

为探讨移动车辆作用对曲线梁桥地震反应的影响,采用模态综合技术,提出考虑地震作用的曲线梁桥车桥耦合振动分析方法.以4×40 m曲线连续梁桥和典型3轴重车为对象,编程分析车辆动力作用下曲线梁桥地震反应特性,研究车辆关键参数、不同地震动类型等因素对曲线梁桥地震反应的影响.研究结果表明:增加车重和车速,结构地震响应受到车辆作用的影响增大;提高地震动峰值,车辆作用对桥梁地震响应的影响减弱;不同场地条件下,车辆作用对桥梁地震反应的影响存在明显差异,地震波频率集中时影响较大.     

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。     

地震作用下高速铁路列车走行性三项指标分析

研究目的:为了研究地震作用下列车运行的安全性,利用多体动力学原理建立动力平衡方程,将地震激励与轨道不平顺激励视为车辆的外荷载,采用MATLAB编程分别计算不同地震作用下地震峰值加速度一定时,列车走行性三项指标(轮重减载率、脱轨系数、横向力)随车速的变化规律,车速一定时地震峰值加速度对三项指标的影响,并比较不同地震动对各项指标的影响程度。研究结论:(1)将地震动调幅至0. 1g,不同地震动作用下轮重减载率在车速大于250 km/h均超过规定限值;(2)控制车速为100 km/h,在CHY004波作用下地震峰值加速度的增大均使得三项指标突增;(3)不同地震动作用对三项指标的影响有较大差异,车速为300 km/h时,横向力在调幅0. 2g的CHY004波作用下是TAFT波的4. 89倍;(4)本研究成果可为地震作用下的高速列车走行安全提供一定参考。     

特大跨度钢桁拱桥列车走行性分析

以某主跨436 m中承式钢桁拱桥为例,运用桥梁结构动力学与车辆动力学,将列车-桥梁视为联合动力体系,建立了列车与大跨度钢桁拱桥的车桥耦合动力分析模型,计算与分析了该桥列车通过时的桥梁动力响应和列车走行性。研究结果为大跨度钢桁拱桥的动力设计提供了理论依据。     

地震作用下基于场地条件的高速列车行车安全性

针对地震作用下高速列车行车安全性问题,基于多体动力学理论,采用多体动力学软件SIMPACK建立高速铁路车辆模型。采用日本实测地震数据,以脱轨系数、动态轮重减载率、轮轴横向力作为安全性评价指标,从车辆动态行为角度分析不同场地条件下列车速度、横向加速度峰值、垂-横向峰值加速度比对列车行车安全性的影响。研究结果表明:地震作用下列车行驶速度、横向加速度峰值、场地条件对列车行车安全性有显著影响;列车在Ⅲ类场地上行车安全性最差,而在Ⅰ类场地上最好;垂-横向峰值加速度比超过0.67以后,垂向激励对列车行车安全性有显著影响。建议高速铁路地震报警阈值的选取应基于场地条件,且应考虑近场地震作用下垂向激励的影响。     

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。     

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.     

集包第二双线铁路大黑河4号大桥动力特性分析

集包第二双线铁路大黑河4号大桥为系杆拱桥,主体采用钢管混凝土结构.采用大型结构有限元分析软件建立三维模型,分析桥梁自振特性;从车-桥系统运动方程、动力性能、车辆走行性能等方面对车-桥动力响应计算结果及性能进行分析和评价;对德国ICE-3型动力分散独立式高速列车以不同速度通过桥梁时的动力响应和车辆走行性能进行数值计算.根据计算结果对桥梁结构和运行车辆安全性作出评价,为改进同类拱桥设计和结构提供参考.     

基于风车桥耦合振动分析的刚构拱桥优化设计

以广州地铁14号线大跨度150 m刚构拱桥为例,建立风荷载作用下大跨度刚构拱桥的车桥耦合动力分析模型,并根据势能驻值原理及形成结构矩阵的“对号入座法则”,采用计算机模拟的方法,计算与分析该桥列车通过时的桥梁动力响应和列车走行性,通过多方案比选,分别得出各桥梁方案的行车安全性及舒适性指标,最终提出优化设计方案。研究结果可为大跨度刚构拱桥的动力设计提供理论依据。     

地震动输入方式对铁路大跨系杆拱桥地震反应的影响

以某铁路大跨钢管混凝土系杆拱桥为研究对象,建立了全桥空间动力计算模型,进行了桥梁动力特性分析,应用反应谱法讨论了地震动输入方式(单维、双维及三维)对大跨拱桥弹性地震反应的影响。结果表明:竖向输入地震动对拱肋的轴力及面内弯矩、剪力影响较大,但对面外剪力及弯矩影响较小;顺桥向或横桥向单独输入地震动时,面内及面外内力存在较明显的耦合效应;对于多孔大跨拱桥,建议同时输入三维地震动进行地震反应分析。     

侧风作用下五峰山长江大桥列车行车安全控制

研究目的:随着我国高速铁路事业的快速发展,大跨度悬索桥越来越多地在铁路线路中被采用。为研究侧风作用下铁路悬索桥的行车安全,本文以五峰山长江大桥为工程实例,建立对应的桥梁有限元模型,利用风-车-桥耦合振动理论,通过仿真计算给出五峰山长江大桥在各风速下保证行车安全的车速阈值。研究结论:(1)在侧风作用下,单双线CRH2、CRH3以设计速度通过五峰山长江大桥,桥梁的横、竖向位移响应以及加速度响应均能满足要求,桥梁结构能够保证安全;(2)通过分析车辆响应结果,结合现有的安全性与舒适性评价指标,给出了各平均风速横风作用下车辆安全通过桥梁的车速阈值;(3)本研究成果可为同类型桥梁的设计以及行车安全控制提供参考。