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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

轻重车辆混编对列车脱轨安全性的影响分析

应用列车－轨道时变系统空间振动随机分析理论，详细计算分析了不同的轻重车辆混编对脱轨系数及轮重减载率的影响，尝试用改善轻重车辆编组的方法提高列车脱轨安全性的可行性。     

轻重车辆混编对列车脱轨安全性的影响分析

应用列车-轨道时变系统空间振动随机分析理论[1-4],详细计算分析了不同的轻重车辆混编对脱轨系数及轮重减载率的影响,尝试用改善轻重车辆编组的方法提高列车脱轨安全性的可行性.     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

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。     

时速400 km高铁最小曲线半径地段列车动力学性能研究

为了研究时速400 km高铁列车经过最小曲线半径地段时的动力响应特性,建立曲线地段CRH380B列车-轨道耦合动力学模型,从时域、频域对比仿真数据与综合检测列车实测数据,验证仿真模型的正确性。模拟列车以400 km/h速度通过7 000 m半径曲线路段下的各种轨道不平顺工况,以各动力响应峰值为控制指标,并结合相干性分析,得出长波高低与轨向不平顺最大敏感波长分别为150 m和200 m。曲线地段的车体垂向加速度峰值、车体横向加速度峰值、脱轨系数峰值、轮重减载率峰值、轮轴横向力峰值分别是直线地段的1.21倍、7.58倍、4.8倍、1.17倍、3.25倍,表明线路条件改变对车体垂向加速度、轮重减载率的影响较小,对车体横向加速度、脱轨系数、轮轴横向力的影响显著。研究结论可为运营期的行车舒适性和安全性评价、轨道平顺性评价提供理论依据。     

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。     

铁路矩形墩桥梁横向振动试验研究

通过对京通线银镇沟桥的现场振动测试 ,得到该桥的横向振动特性 ,给出桥上列车轮轨作用力的典型时程曲线和列车的脱轨系数及轮重减载率 ,为进一步研究矩形桥墩的横向振动提供实测数据。     

不同方向地震荷载作用下公铁交叉隧道的振动加速度响应

以某公铁立体交叉隧道工程为依托,通过大型振动台试验研究铁路隧道正交下穿公路隧道时的地震响应。分析2个方向(x单向及xz双向)、3种地震烈度(Ⅶ—Ⅸ)、5种地震波加载幅值(0.10g～0.40g)组成的10种加载工况下的隧道振动加速度响应规律,并以地震波幅值0.20g作为振动加速度峰值突变分界点,采用连续小波变换方法分析隧道典型测点的频谱特性。结果表明:隧道的振动加速度响应具有明显的空间分布特征及叠加效应,上跨隧道仰拱处及下穿隧道拱顶处的地震响应更为强烈;x单向输入地震波时,振动加速度叠加效应以下穿隧道拱顶处为主,xz双向输入时以上跨隧道仰拱处为主,且各测点处的振动加速度峰值明显大于x单向;地震波幅值为0.20g～0.30g时,交叉段测点处的振动加速度响应发生突变,地震波幅值为0.30g～0.40g时,加载方向引起的振动加速度放大效应更为明显;Morlet小波在变换尺度为5～20时的中低频率响应更为强烈,随变换尺度的增大,其卓越频率由高频段逐渐向低频段迁移。     

冲角对换轨机器人准静态脱轨判别研究

针对换轨机器人脱轨系数具有保守性,轮重减载率作为辅助判别指标却没有统一标准的问题,提出以冲角判别换轨机器人脱轨的判别方法。结合脱轨系数与轮重减载率的定义,引入列车准静态脱轨判别准则,建立轮对力矩准静态模型,构建换轨机器人多参数耦合的脱轨判别式,探究不同摩擦因数、不同轮缘角下冲角与脱轨系数的函数关系以及冲角与脱轨判别式的映射关系式。研究结果验证了理论的正确性,增大轮缘角、降低轮轨间摩擦因数有利于降低脱轨危险性,合理解释了脱轨系数达到脱轨标准时,换轨机器人没有发生脱轨的现象,为换轨机器人准静态脱轨的进一步研究奠定理论基础。     

带径向机构的铰接式单轴转向架独立轮对导向特点分析

研究了带径向机构的铰接式单轴转向架独立轮对导向特点。理论上分析了传统轮对和独立轮对的导向原理,在SIMPACK中建立了5节编组的Talgo列车动力学模型。结合Talgo列车三角拖动式结构研究了独立轮对的对中性能。对比了带径向机构的独立轮对、不带径向机构的独立轮对以及传统轮对在曲线通过时的轮对冲角、磨耗指数、脱轨系数和车轮横向力,指出径向机构可以有效降低轮对冲角和车轮磨耗,并分析了不同轮对脱轨系数差异较大的原因。     

列车脱轨的力学机理与防止脱轨理论

论证了：1)现行脱轨系数Q/P及轮重减栽率△P/Po的限值不能防止脱轨的根本原因是在于它们不能控制列车实际的Q/P与△P/Po不超过规定限值;2)列车脱轨的力学机理是列车桥梁(轨道)时变系统的横向振动丧失稳定,只要此系统横向振动是稳定的．列车车轮就不会脱轨掉道。提出了判别此系统横向振动是否稳定(即列车是否脱轨)的此系统抗力作功增量与输入能量增量准则。深入论述了：1)国内外此系统振动计算理论在计算模型、激振源、随机分析3个方面存在根本问题;2)列车脱轨能量随机分析理论。列出了12例列车是否脱轨的计算结果,所有对应于有实践结果的算例,其计算结果都与实际情况相吻合．