高速铁路车桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究
第一章 绪 论
我国高铁建设起步晚、发展快。自 1990 年铁道部在《京沪高速铁路线路方案构想报告》中提出正式提出兴建高速铁路以来，经过 20 多年的飞速发展，截止2014 年底，中国铁路运营里程突破 11.2 万公里，其中高速铁路运营里程达到 1.6万公里，超过世界高铁运营里程的一半，居世界第一位，高铁成为铁路客运的主力军[22][56]。作为我国运输大动脉，保障客运、货运列车的安全运营是需要完成的重要任务。十二五规划中提出“大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路”的重要目标和指示[23][74]。历史地震表明，铁路桥梁、轨道等的破坏，会严重影响铁路运营安全，尤其是对于高铁列车，即使不是较强烈地震有时也会使高速运行的列车脱轨或倾覆，造成重大经济损失和人员伤亡。
1995 年 1 月 17 日，日本阪神地震对铁路系统造成了严重灾害，地震引起铁路路基塌陷、桥梁破坏、列车出轨（图 1-1），致使阪神地区的铁路运输中断[72]。
由于我国铁路桥梁占线路比例大且地震频发，列车行驶于桥段的时间比例相应较大，对于高速行驶的高铁列车，即使是较小震级的地震都会对轨道、桥梁产生冲击，使列车产生滚摆振动，进而可能造成高铁列车脱轨，引发重大安全事故[5]。随着高铁技术的推广和发展，行驶列车速度大幅度提高，地震对列车运行安全性的威胁也大大增加，高架桥段地震行车安全性以及列车紧急处置成为亟待解决的问题。
我国是地震多发国家， 50 %的国土位于Ⅶ度以上的地震高烈度区，覆盖了 23个省会城市以及 2/3 的百万人口以上的城市。地震活动跨度大，主要分布在东南沿海、西南、西北、华北地区以及台湾地区的 23 条地震带上[73]（图 1-8）。20 世纪全球 7 级以上陆上地震 35%发生在我国。我国已建的京沪、京津、石太、盘营、郑西、合宁、福厦、甬温、津秦等高速铁路均位于或者靠近地震活跃地带，这些地区的地震基本烈度在Ⅶ度以上，其地震动峰值加速度达到了 0.1g。目前我国的高铁虽尚未经历地震的考验，但是潜在的威胁时刻存在，高铁列车行车安全面临重大挑战。
世界众多高铁国家均十分重视高速运行列车的地震监控技术[39]。在日本、法国、德国和我国的台湾地区等高速铁路较为发达的国家，均针对铁路运输建立了地震报警和紧急处置系统[26]，以防止或减轻地震对铁路运输安全的危害。日本等国家和地区的地震预警实践证明，地震报警和紧急处置系统具有明显的减灾效果。以日本 311 大地震为例，地震纵波到达铁路干线前海岸地震计测仪就监测到纵波（P波）信号，并速传到铁道沿线地震计测仪，铁道沿线地震计测仪作出判断后，自动将停电的信号发送到变电所，变电所立即切断新干线的供电系统，从而使得高速行驶的列车迅速减速，并启动紧急刹车系统使列车停车，从而避免更大灾害事故的发生。
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1.2.1 车-桥耦合模型研究
国外关于地震作用下车桥系统耦合动力问题的研究开展较早[102][118][119]，取得了一定的成果，但是车桥耦合体系复杂的耦合关系和地震动力学问题并未得到充分的解决。从建立列车模型以及车桥耦合体系到地震作用下模型复杂的动力分析均处于探索和逐步深入研究的阶段。早在 1825 年，研究人员就开始了对车辆与桥梁结构相互作用机理的研究，其中最基本也是最重要的环节便是建立合理、可靠的列车-桥梁相互作用模型[5][15][98][103][104][105]。在计算机没有广泛应用以前，由于桥梁结构和所受荷载的复杂性，最初的研究中把车辆荷载简化为移动的荷载进行计算分析，如图 1-9 所示，从最开始不考虑车体质量，将其简化为移动常力（图 1-9a）或者简谐荷载（图 1-9b）逐步演变为考虑车桥质量，将车体简化为移动惯性力（图 1-9c）或者移动的簧上质量（图 1-9d）。
在国外，日本、美国、法国等国的研究学者对车桥耦合振动问题，包括模型建立和耦合振动求解方法开展了广泛的研究。20 世纪 70 年代，日本学者松浦章夫以具有二系弹簧悬挂装置的四轴车辆模型作为研究对象，建立了 10 自由度的车辆模型，并基于能量方法推导了车-桥体系运动方程，研究了轨道不平顺、行车速度、车辆的轴重等参数对桥梁冲击系数的影响[40][41]；1978 年 Dhar 将列车模拟成由车体、转向架和轮对组成，相互之间用弹簧连接，轮对和钢轨之间始终密贴接触，分析了车体竖向位移反应及车-桥系统的竖向振动问题[28]。1982 年美国学者 MH.Bhatti 考虑车体弹簧的几何和悬挂非线性，建立了 21 个自由度二系弹簧的竖向和横向的车辆模型，分别考虑竖向和横向轨道不平顺作为内部激励，根据轮-轨相互作用建立了车辆与桥梁的运动方程，对 53.34 米跨度的简支桁架桥的空间振动响应行了研究[92]；20 世纪 90 年代，比利时的 Bogaert 建立了多刚体车辆模型，对车-桥耦合体系的瞬态加速度响应进行了分析[93]，与实测结果进行了对比研究，验证了模型的可靠性。
我国许多高校和科研院所的学者也对车-桥耦合模型问题开展了大量的研究工作。张楠采用理论分析方法研究了车-桥耦合动力相互作用，并通过现场试验对理论模型进行了验证。研究中以中华之星列车为车辆模型载体，根据理论方法模拟了列车高速通过 24m 预应力混凝土简支箱梁桥的全过程，计算车-桥动力响应，并通过与现场实测结果的对比分析验证了模型[13][78]。曾庆元教授及其研究团队对车桥耦合体系开展了系统地研究，建立了 21 自由度机车模型，采用桁段单元对桁架桥进行离散，建立了列车过桥时的车-桥时变系统总势能的表达式，由势能驻值原理导出了车辆动力方程。基于该平衡方程采用实测蛇行波为激励源，求解了车-桥系统的动力响应[28]。西南交大蔡成标研究员结合工程实际，建立了高速列车-轨道-桥梁竖向耦合振动模型[2]，分别选取了板式和长轨枕埋入式无砟轨道两种轨道形式进行研究，对不同车速下耦合系统的振动响应进行了计算分析。翟婉明基于日本新干线建立了车-轨-桥耦合系统模型，研究了耦合体系的动力响应[79]。北京交通大学的夏禾教授建立了车-梁-墩系统的动力分析模型，系统研究了风和地震作用下的车-桥体系响应[68][71]。
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第二章 车-桥耦合体系地震响应分析方法
作为一个地震多发的国家，为保证我国高铁列车行车安全性，开展地震作用下的高铁列车-桥梁耦合体系动力响应研究十分重要和迫切。高铁列车-桥梁耦合体系地震响应分析主要研究内容包括几个方面：
（1）车-桥耦合体系激扰。列车桥上运行时，与桥梁构成一个振动系统，引起该系统振动的激励源包括两个部分，即系统外部激励和系统自激激励。其中外部激励包括风荷载、地震荷载、列车自重加载等；内部自激激励包括轨道不平顺、车辆蛇形运动等。（2）车-桥耦合体系分析模型。建立合理的高速列车-高架桥复合模型是整个研究的基础工作，直接关系到研究成果的准确性。建立合理的车-桥耦合模型需要通过合理、准确的车-桥耦合接触关系将列车模型与桥梁模型联系起来。（3）车-桥耦合体系动力分析方法。动力分析方法是求解车-桥耦合体系动力响应的必要手段。通过选用合理的动力分析方法，联立车-桥耦合体系动力平衡方程，从而求解出结构体系的动力响应。
图 2-1 给出了车-桥耦合地震响应分析具体的流程图。按照该流程给出的研究思路，本章将主要介绍高铁列车-桥梁耦合体系地震响应分析的基本方法和理论，并重点论述本文车-桥耦合体系有限元建模、计算分析、高铁列车地震安全性评价以及阈值求解的具体方法和流程。
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2.2.1 外部激励
地震荷载是本文研究的主要外部输入荷载。由于地震动具有随机性，随输入地震波的不同，结构的地震时程反应差异较大。合理选择输入地震波对保证时程分析结果的准确性与合理性具有重要意义。合理选择输入地震波时应当考虑以下几方面的因素[20][70]：峰值、频谱特性、地震动持时以及地震波数量。
频谱即组成地震动的各简谐振动振幅和相位特性，表征地震动不同频率分量的强度分布，反应了地震动的动力特性。它与地震动传播区域、距离、传播介质以及场地土性质密切相关。对于同一地震，距离震中越近，则振幅越大，高频成分越丰富，反之，则振幅越小，低频成分越丰富。同时，不同性质的场地土对不同频率成分的地震波过滤与吸收的效果不同。震中附近坚硬场地土中，地震波中的短周期成分较多，距离震中距较远、冲积土层较厚或土质较软时，由于地震波中的短周期成分被吸收而致使长周期成分居多。
从地震动频谱特性的角度合理选取地震波应把握以下两条原则：
1）选取的地震波卓越周期应尽可能与研究中所选场地的特征周期一致；2）选取的地震波震中距应尽可能与研究中所选场地的震中距一致。
轨道不平顺是指实际轨道接触面沿轨道长度方向与理论平顺轨道面之间存在的偏差。主要包括无载状态下的静态不平顺和荷载作用下产生的动态不平顺。轨道不平顺是使车辆产生横向振动的主要激励，是影响轮轨力大小的直接因素，也是由轨道振动产生的影响车辆平稳舒适性和运行安全性的主要因素[28] [49]。根据其在轨道断面的不同方向，轨道不平顺可分为轨向不平顺、高低不平顺、水平不平顺和轨距不平顺。
轨道不平顺使高速行驶的列车产生随机振动，从而影响列车运行安全性[17]。影响轨道不平顺的随机特征的影响因素有多种，主要包括：钢轨表面初始不平、轨枕间距不一致、钢轨磨损、路基不均匀沉降、道床的强度不均匀等[32]。轨道不平顺数据主要通过两种方式获得：（1）对线路进行实际测量，通过对测量结果进行分析处理，得到轨道不平顺谱[121][122]；（2）通过对轨道系统进行数值模拟，得到轨道不平顺数据[115][127][129][131]。
自 2008 年京津城际铁路建成并运营以来，我国成为首个高速铁路运营速度达到 350 km/h 的国家[24]，时速 350 公里的高速铁路主要采用无砟轨道，与既有线有砟轨道结构明显不同。目前我国国内轨道谱的相关研究中主要参考的依然是德国轨道谱。截止到 2014 年年底，我国修建的高速铁路里程达到 1.6 万公里，国内外原有轨道不平顺谱难以表征高速铁路无砟轨道不平顺谱，因此需要在研究轨道不平顺谱计算方法的基础上，得到适合我国高速铁路轨道不平顺特征的无砟轨道谱。
在实际研究中，通常采用功率谱密度函数表征轨道不平顺激励。在车辆-轨道系统动力学模型中，为了便于数值求解，对于系统激励的输入一般采用频域表达方式。为了得到时域样本，首先要将轨道不平顺功率谱密度函数进行时频转换。目前研究中常用的时频转换方法主要有三角级数法、周期图法、白噪声滤波法和二次滤波法等[67][114]。相比而言，二次滤波法缺乏通用性，因为采用该方法对不同的轨道不平顺功率谱密度函数进行转换时，所采用的滤波器也会有差异，需要重新生成滤波器。目前研究中最常采用的方法是三角级数法和周期图法，本文研究中采用了三角级数法。
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3.1 引言............................................ 41
3.2 工程概况[51].....................................41
3.3 车-桥耦合有限元模型...............................43
第四章 车-桥耦合体系地震响应分析.......................59
4.1 引言.............................................. 59
4.2 地震动记录选取.................................... 59
4.3 典型地震作用下桥面加速度反应..................... 61
第五章 高铁列车地震安全性评价.........................95
5.1 引言............................................... 95
5.2 高铁列车运行安全性评价标准.......................... 95
第六章 高铁列车地震报警阈值研究
作为一个地震多发国家，高铁列车地震阈值研究是目前我国高铁安全建设中急需解决的一个重要课题。虽然我国已经初步建成“四纵四横”，逾万公里的高铁网络，但高速铁路预警系统建设却相对滞后。目前开通运营的高铁线路中，例如京津城际铁路和京沪高速铁路虽然配置了地震监测装置，但报警阈值的设定却没有经过充分的研究和论证，而是参考日本预警系统相关阈值参数。考虑到我国的地质条件、场地因素、高铁线路轨道谱等具体参数跟国外的差异，有必要基于我国高铁线路的基本情况，研究适合中国高速铁路系统的报警阈值参数。
本章重点研究了在典型地震动、基于中国无砟轨道谱确定的轨道不平顺激励共同作用下，如何确定高铁列车报警阈值参数取值问题；给出了高铁列车地震报警阈值的建议值；同时对比分析了基于德国轨道谱和中国轨道谱确定的列车地震报警阈值的差异。
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为了考虑不同地震作用对车-桥耦合体系动力放大效应的差异，本文中采用一种新的思路求解确定高铁列车地震报警阈值，即直接将车-桥耦合体系桥面加速度反应作为输入进行列车地震响应分析，求解阈值（后文中统称为“本文方法”）。主要思路为：以车桥耦合地震响应分析得到的桥面加速度反应时程作为输入，通过调整时程曲线峰值大小（本文研究中调整的加速度时程曲线区间为0.02g-0.26g），，同时考虑轨道不平顺激励，在不同行车速度下，通过反复试算，找出使高铁列车三项指标中任意一项达到临界值时的加速度峰值即为该车速下高铁列车的地震横向加速度报警阈值。将所有计算结果进行综合，绘出三项安全性指标限值所对应的地震峰值加速度随车速变化的曲线，对所有曲线进行包络取值，即可确定不同车速下高铁列车的地震报警阈值。具体的流程图如图 6-1。
根据以上计算和求解思路，基于德国低干扰谱，将 10 条地震波对应的桥面加速度反应时程作用下求解得到的列车三项指标计算结果进行综合，分别得到不同地震动强度下列车三项指标计算值随车速的变化曲线。研究中按照 0.02g 的加速度间隔取值，输入的加速度时程区间为 0.02g-0.26g，一共为 13 组工况。 计算得到的列车脱轨系数、轮重减载率和横向轮轴力结果见附录 3。以加速度峰值 0.1g 和0.2g 两组工况为例，给出地震编号为 1、2、6、7、9、10 一共 6 条地震动输入下的列车安全性评价三项指标计算结果（见表 6-1 至表 6-3），其中 I 类、II 类、III类场地地震波各两条。
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第七章 结论与展望
本文立足于我国高铁地震报警和紧急处置系统建设刚刚起步、经验积累较少、研究尚不深入，许多关键技术问题亟待解决的研究现状，以高架桥路段高速铁路车-桥耦合系统为研究对象，开展考虑车-桥耦合作用的高铁列车地震安全性评价和地震报警阈值研究。本文主要研究内容和研究成果汇总如下：
1.依托京沪高铁实际工程，基于 Abaqus 有限元软件平台建立了合理的高速列车-高架桥耦合模型。对比分析车-桥耦合模型和对应的不考虑列车的桥梁模型动力特性的差异，讨论了采用车-桥耦合模型进行研究的必要性；同时研究了不同支墩形式、不同跨度以及不同墩高等综合因素对车-桥耦合模型动力特性的影响。主要成果和结论如下：
（1）与目前研究中采用的有限元模型相比，本文中采用的车-桥耦合模型采用了更加合理、接近实际的轮轨接触关系和边界条件：通过赫兹非线性理论设置车-轨横向、垂向弹簧，切向考虑轮轨横向及纵向摩擦；采用刚度等于桥面系刚度的水平弹簧对简支梁之间及端部进行约束；同时还建立了相应的不考虑列车的桥梁模型与之进行了对比分析。
（2）车-桥耦合体系和单桥体系动力特性的对比分析结果表明，车桥耦合体系基本频率比的单桥体系低，整体刚度相对偏弱。
（3）桥梁墩高和跨度对车-桥耦合体系动力特性具有一定影响。随着墩高的增大，不考虑列车的桥梁模型和车桥耦合模型各阶自振频率相应减小；墩高一定时，桥梁模型的自振频率比车桥耦合模型大，且振型阶数越高，自振频率相差越大，列车对桥梁的高阶模态影响更明显；24m 跨度车-桥耦合体系自振频率低于 32m 跨度，且振型阶数越高，自振频率相差越大。
2. 重点对高速铁路车-桥耦合模型地震响应进行了计算分析，得到了车-桥耦合体系桥面加速度响应及放大系数；对比研究了车桥耦合模型和不考虑列车的桥梁模型地震响应的差异性；同时对典型地震作用下车-桥耦合体系位移反应进行了验算，包括梁体的竖向位移和桥墩延性验算，系统比较了分别采用两种桥墩的车-桥耦合体系在地震作用下的横向变形能力；研究了地震动输入频谱特性对桥面加速度反应放大系数的影响特征，得到了地震动频谱特性对加速度响应的影响规律。主要成果和结论如下：
（1）车-桥耦合模型和不考虑列车的桥梁模型桥面地震加速度反应及其放大系数具有明显差异。在 II 类场地地震动输入下，根据车-桥耦合模型得到的加速度响应及其放大系数明显大于桥梁模型。因此，高铁列车地震响应分析中考虑车-桥耦合效应是必要的。
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参考文献（略）
本文编号：34874
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/34874.html