非一致地震激勵下列車-軌道-橋梁耦合振動及行車安全性研究.pdf

1、地震在影響橋梁結(jié)構(gòu)本身安全性的同時，還會威脅其上列車的行車安全。對于高速鐵路橋梁，除需滿足橋梁抗震之外，還應(yīng)確保地震時過橋車輛的行車安全性。理論研究和震害經(jīng)驗都表明，地震動具有空間變異性，包括行波效應(yīng)、失相干效應(yīng)、局部場地效應(yīng)和衰減效應(yīng)。因此，針對高速鐵路橋梁，開展非一致地震激勵下的列車-軌道-橋梁耦合振動及橋上列車的行車安全性研究具有重要意義，這已成為保證高速鐵路安全運營的關(guān)鍵課題之一。本文圍繞該課題開展了系列研究，其主要工作和成果如

2、下:
　　(1)提出了空間相關(guān)的多點多維地震動合成方法?；谧V方法的隨機(jī)場理論，借助功率譜密度函數(shù)來描述地震動隨機(jī)場，同時考慮不同點、不同向地震動分量間的相關(guān)性，分別采用Clough-Penzien模型和屈鐵軍-王君杰相干模型來描述平穩(wěn)自功率譜和平穩(wěn)互功率譜，建立了空間相關(guān)的多點多維地震動合成方法。
　　(2)建立了非一致地震激勵下的列車-軌道-橋梁耦合振動模型。基于列車-軌道-橋梁動力相互作用理論，建立了35個自由度的機(jī)車

3、車輛模型、三層彈性點支撐有砟軌道模型、板式無砟軌道模型和橋梁有限元模型，并將新型輪軌關(guān)系假設(shè)引入耦合系統(tǒng)，建立了新型輪軌關(guān)系模型。同時，分別針對有砟軌道和板式無砟軌道，通過橋軌接觸界面處的靜力平衡關(guān)系和位移協(xié)調(diào)條件建立了橋軌關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)考慮路基地震力邊界條件和橋梁地震力邊界條件，分別采用直接求解法、相對運動法、大質(zhì)量法和大剛度法處理地震力邊界條件，建立了非一致地震激勵下的列車-軌道-橋梁耦合振動模型。
　　(3)編制

4、了列車-軌道-橋梁-地震分析系統(tǒng)程序?；贑ompaq Visual Fortran6.5平臺，通過顯式-隱式混合積分法求解非一致地震激勵下的列車-軌道-橋梁耦合振動方程，編制了列車-軌道-橋梁-地震分析系統(tǒng)程序TTBSAS，并對該程序的有效性進(jìn)行了驗證。TTBSAS可實現(xiàn)無震和有震條件下的列車-軌道-橋梁耦合振動分析，并可根據(jù)需要選擇直接求解法、相對運動法、大質(zhì)量法和大剛度法采用一致激勵、行波激勵和多點激勵三種模式輸入地震波。

5、　　(4)探討了幾個關(guān)鍵因素對列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響。以TTBSAS程序為計算工具，針對跨度(48+5×80+48)m的剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，探討了直接求解法和相對運動法阻尼項、結(jié)構(gòu)擬靜力分量以及不同非一致地震輸入方法對列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，不考慮直接求解法和相對運動法阻尼項對橋梁和鋼軌動力響應(yīng)的影響較小，但會使車體質(zhì)心加速度偏大;結(jié)構(gòu)縱向擬靜力分量對耦合系統(tǒng)的動力響應(yīng)無影響，而橫向擬靜力分量會

6、顯著增大列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軌橫向力;大剛度法與直接求解法完全等效，而大質(zhì)量法和相對運動法分別會過高和過低估計車輛的動力響應(yīng)。
　　(5)分析了非一致地震激勵下列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)的振動特征。以TTBSAS程序為計算工具，針對北盤江445m上承式拱橋，通過大剛度法輸入合成的多點多維地震時域樣本，分析了行波效應(yīng)、地震完全空間變異性對列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，地震完全空間變異性對耦合系統(tǒng)動力響應(yīng)幅

7、值的影響劇烈，僅考慮行波效應(yīng)，可能會低估橋上車輛的動力響應(yīng)。
　　(6)研究了非一致地震激勵下高速列車過橋的行車安全性。以脫軌系數(shù)超限持續(xù)時間、輪重減載率超限持續(xù)時間、接觸點橫移量以及車輪抬升量為評判指標(biāo)，研究了非一致地震激勵下高速列車通過北盤江特大橋時的行車安全性。結(jié)果表明，地震動空間變異性對列車行車安全性評判指標(biāo)的幅值有影響，但對最終列車過橋的安全車速閡值影響不大。有震條件下，如果仍采用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)脫軌系數(shù)和輪重減載率去評判橋上