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。     

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。     

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。     

反向曲线铁路桥梁车桥耦合动力分析研究

研究目的:铁路桥梁设在反向曲线上时,相关规范要求需进行充分论证。本文以某车站扩能改造工程中由于受到地形条件限制而设计的反向曲线铁路桥梁为例,采用MSC.PATRAN和ADAMS/RAIL分析软件,分别建立完整的桥梁和列车三维空间模型,分析CRH1动车组在不同车速条件下通过该桥的车桥耦合振动情况。研究结论:(1)通过对桥梁各跨的纵、横向位移,加速度以及脱轨系数、轮重减载率、车体加速度、Sperling舒适性指标等动力性指标计算结果的分析可以得到:CRH1动车组以70~90 km/h速度通过该反向曲线铁路桥梁时,车辆的脱轨系数和轮重减载率随着车辆的行驶速度增加而增加,桥梁各跨的竖向和横向振动位移较小,桥梁竖向和横向振动加速度小于规范规定的限值;(2)该桥梁具有较大的纵、横向刚度,满足列车运行的安全性及舒适性要求;(3)由于受到地形条件限制而设计的反向曲线桥梁方案是可行的;(4)本研究成果能够为位于反向曲线的铁路桥梁车桥耦合振动研究提供参考。     

横风环境下跨海大桥列车-桥梁系统耦合振动仿真研究

基于计算流体力学及弹性体在多体系统中的耦合理论,将计算流体力学、多体系统动力学及有限元结合起来,构建横风环境中列车-桥梁系统耦合振动的仿真平台,并以平潭海峡大小练岛水道斜拉桥为研究对象开展研究。列车-桥梁系统的气动模型构建采用局部动态层网格方法,计算列车-桥梁系统在不同风速和车速下的气动荷载。基于有限元方法和多体系统动力学方法建立列车-桥梁系统多体动力学模型,以时间激励方式施加气动荷载,仿真计算双线会车时不同风速和车速工况下列车-桥梁耦合系统的动力响应。研究结果表明:(1)随着风速的增大,桥梁主跨跨中竖向位移变化很小,而跨中横向位移显著增大,跨中竖向和横向振动加速度亦明显增大。风速和车速分别在30 m/s与300 km/h以内时,桥梁的挠度和振动加速度均能满足要求。(2)横风环境下列车在桥梁上运行时,头车的动力特性最为不利。随着风速和车速的增大,车辆的动力学指标均呈增大趋势。(3)列车行至桥梁跨中时轮重减载率出现最大值,两车交会时车体横向加速度发生突变且出现最大值,部分动力学指标不满足要求。(4)双线会车时,风速在10、20、30 m/s时的临界安全车速分别为296、256、147 km/h,临界舒适车速分别为166、150、106 km/h。     

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。     

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)。     

地震环境下高速列车最大安全运行速度分析

为研究地震环境对高速列车运行速度的影响,以某型动车组为研究对象,建立高速列车动力学模型。采用"金井清-田治见宏模型"对地震地面运动进行模拟,将模型中的地震动功率谱转换成位移功率谱,并求解出地震动的传递函数,将地震激励通过传递函数以位移的形式输入高速列车动力学模型中。以地震烈度7度为例,从脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等动力学性能指标对不同速度等级下的高速列车进行动力学分析,并得到一个高速列车最大安全运行速度的参考值。分析结果表明,在地震动作用下,高速列车运行速度的大小对其动力学性能有着不可忽视的影响,并且通过对比不同速度等级下高速列车的动力学性能指标,得出在地震烈度为7度时高速列车最大安全运行速度为50 km/h,对列车在突发地震时运行速度的调整具有一定的参考价值。     

城市轨道交通桥梁线形变化对列车运行性能的影响

以城市轨道交通高架桥梁为研究对象,基于多体动力学和有限元方法构建车-桥系统联合仿真平台,分析桥梁线形变化对列车运行性能的影响。研究结果表明:桥墩发生沉降后,列车在未沉降区车体竖向加速度和轮重减载率与未发生沉降时相近,列车经过沉降区时车体加速度和轮重减载率均明显增大,且在沉降墩处出现最大值,车体加速度和轮重减载率均随沉降量及车速的增大而增大;主梁发生下挠或上拱变形时,列车的车体加速度和轮重减载率均明显增大,与上拱相比,下挠对列车的动力特性更加不利,车体加速度和轮重减载率均随主梁变形量及车速的增大而增大;城市轨道交通车辆以低于120 km/h速度通过30 m跨高架桥时,桥墩沉降的运营舒适性限值为47 mm,行车安全性限值为63 mm;主梁下挠的运营舒适性限值为19 mm,行车安全性限值为32 mm;主梁上拱的运营舒适性限值为24 mm,行车安全性限值为35 mm。     

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...     

悬挂胶轮列车与钢桥的振动试验及仿真研究

为评价悬挂胶轮列车及钢轨道梁桥的结构性能,以开封悬挂式单轨示范线为背景开展现场试验与仿真研究。开发了胶轮列车-钢轨道梁桥耦合振动分析程序,根据现场实测的胶轮车辆的空气弹簧、走行轮刚度和阻尼等力学参数,建立胶轮列车模型。对车桥动力响应的现场试验与动力仿真分析结果进行综合比较,采用相关规范对列车走行性以及轨道梁桥的动力性能进行综合评估。结果表明：车桥动力特性及其振动响应的理论与实测结果基本吻合,车桥耦合分析方法可应用于悬挂式胶轮单轨交通系统振动性能研究;轨道梁竖向挠跨比小于相关规范的限值,竖向刚度设计合理;在列车竖向静活载作用下,相邻两跨轨道梁梁端竖、横向转角之和最大值分别为 4.5‰和 1.5‰;车速 80 km/h 下轨道梁纵、横向应力动力系数最大值分别为 1.17 和 1.14;考虑到悬挂式胶轮列车没有脱轨风险,列车轮重减载率及钢轨道梁桥横向加速度较传统铁路偏大,其相应限值可较现行铁路规范适当放松。     

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。     

强风作用下列车过桥安全性评定标准探讨

基于轮轨滚动接触蠕滑理论和准定常抖振力,建立风-车-桥系统空间耦合振动分析模型并编制相应的计算程序。研究不同车速、不同风速下轻轨列车通过大跨度斜拉桥的走行性。结合列车走行特性,对列车各项安全性评定标准进行具体分析。研究表明将轮重减载率作为强风作用下列车运行安全性评定标准的是不合适的。建议将倾覆系数作为强风作用下列车运行安全性主要评定标准。     

盾构隧道下穿高速铁路有砟轨道路基不均匀沉降分析

采用多体动力学仿真软件建立车辆-轨道系统模型,分析盾构隧道穿越高速铁路有砟轨道引起路基不均匀沉降对车辆-轨道系统动力响应的影响规律。结果表明：(1)列车速度为300 km/h,当盾构隧道穿越引起路基不均匀沉降波长为15 m,波幅大于25 mm时轮重减载率超过0.6的限值,波幅大于32 mm时车体最大竖向加速度超过0.13 g的限值;(2)当盾构隧道穿越路基引起不均匀沉降波幅为25 mm,波长小于15 m时,轮重减载率超过0.6的限值,车体竖向加速度随着波长的增加先增大后减小,但均未超过0.13g的限值;(3)当盾构隧道穿越路基引起不均匀沉降波幅为25 mm,波长为15 m,轮重减载率随着列车运行速度的提高而增大,运行速度超过300 km/h时轮重减载率达到0.6的限值,车体竖向加速度随着列车运行速度的增加变化较小,但均未超过0.13g的限值。     

天兴洲长江大桥斜拉桥在地震作用下的车-桥耦合振动分析

针对天兴洲长江大桥正桥的斜拉桥初步设计方案,建立空间有限元模型,采用动态时程分析方法,进行地震—车—桥耦合振动分析。根据多遇地震条件下结构可正常使用且不产生过大变形的要求,确定地震荷载的选择。选取货物列车(重车编组和空车编组2种方式)以80 km.h-1、中速旅客列车以200 km.h-1、高速旅客列车以250 km.h-1速度4种过桥方案,分别进行地震—车—桥耦合振动分析。计算结果表明,桥梁结构满足UIC规范中铁路桥梁设计对振动加速度的要求;车辆的最大脱轨系数均小于0.8;除高速旅客列车过桥方案的最大轮重减载率达到0.631(不满足0.60的安全标准但满足0.65的容许标准)以外,其余列车过桥方案的轮重减载率均小于0.60,满足安全标准;4种方案列车通过桥梁时的舒适(平稳)性与安全性均满足规范要求,但在相同的线路状态和车速下,货物列车空车编组时比重车编组时差。     

轮对多边形化对车辆动力学性能的影响

基于弹性轮对建立车轮多边形的刚柔耦合整车动力学模型。首先分析弹性车轮的合理性,进而通过修改命令直接形成多边形,研究弹性车轮多边形的波深、相位差、谐波阶数在不同速度下对车辆动力学性能的影响,给出40⁸0 km/h下,车轴横向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等重要指标,确定出危险速度。结果表明,3个参数对动力学性能的影响存在差异,但对脱轨系数影响都很小,对60 km/h速度下的轮重减载率影响都很大,应尽量避免在60 km/h下长期运行,以免发生共振。     

时速160 km城市轨道交通内置式泵房板式道床动力特性分析

北京轨道交通新机场线在部分区间隧道的最低点设置了内置式泵房板式道床。为了保证时速160 km市域列车在动荷载作用下轨道结构的安全性和可靠性,建立了车辆-轨道-隧道三维耦合动力分析模型,计算分析100~220 km/h共7种行车速度下内置式泵房板式道床的动力特性。提取道床振动评价指标(垂向位移、垂向加速度)、道床强度评价指标(纵横向拉应力)、行车平稳性评价指标(车体垂向、横向加速度)和行车安全性评价指标(轮轨垂向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率)与规范允许值进行对比。计算结果表明,各动力学评价指标均随行车速度的增大而增加,各动力学评价指标均在规范允许值之内,并且有较大的安全余量。     

车轮多边形磨耗对车桥耦合振动响应的影响

为探究车轮多边形磨耗对车桥耦合系统振动响应的影响规律,采用ANSYS和SIMPACK联合仿真方法,以国内某高速列车和铁路简支梁桥为原型,建立车桥耦合振动分析模型,把轨道不平顺和车轮多边形磨耗作为系统的输入激励,对车桥耦合系统的振动特性展开研究。结果表明：车轮多边形磨耗对车桥耦合系统的振动响应影响显著;3阶车轮多边形磨耗使轮重减载率增大67.7%,严重降低了列车行驶的安全性,也使桥梁跨中横、竖向加速度分别增大2.74倍和2.27倍;车桥耦合振动响应随着车轮多边形磨耗幅值、阶数的增大而增大,当车轮多边形磨耗幅值由0.02 mm增大至0.08 mm时,列车轮重减载率、桥梁跨中横向和竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加76.5%、174%和127%、47.3%和83.1%;当车轮多边形磨耗阶数由1阶增大至4阶时,列车轮重减载率、桥梁跨中竖向加速度、钢轨中点横向和竖向加速度分别增加116%、389%、82.0%和170%。特别地,列车以200 km/h速度运行时,3阶车轮多边形磨耗引发桥梁横向共振使得桥梁跨中横向加速度显著增大,是4阶车轮多边形磨耗作用时的2.74倍。