非一致地震激勵(lì)下列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)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(shí)，還會(huì)威脅其上列車的行車安全。對(duì)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(shí)過(guò)橋車輛的行車安全性。理論研究和震害經(jīng)驗(yàn)都表明，地震動(dòng)具有空間變異性，包括行波效應(yīng)、失相干效應(yīng)、局部場(chǎng)地效應(yīng)和衰減效應(yīng)。因此，針對(duì)高速鐵路橋梁，開展非一致地震激勵(lì)下的列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)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(yùn)營(yíng)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(diǎn)多維地震動(dòng)合成方法?；谧V方法的隨機(jī)場(chǎng)理論，借助功率譜密度函數(shù)來(lái)描述地震動(dòng)隨機(jī)場(chǎng)，同時(shí)考慮不同點(diǎn)、不同向地震動(dòng)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(lái)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(diǎn)多維地震動(dòng)合成方法。
　　(2)建立了非一致地震激勵(lì)下的列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)模型?；诹熊?軌道-橋梁動(dòng)力相互作用理論，建立了35個(gè)自由度的機(jī)車

3、車輛模型、三層彈性點(diǎn)支撐有砟軌道模型、板式無(wú)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(shí)，分別針對(duì)有砟軌道和板式無(wú)砟軌道，通過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(lì)下的列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)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(tái)，通過(guò)顯式-隱式混合積分法求解非一致地震激勵(lì)下的列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)方程，編制了列車-軌道-橋梁-地震分析系統(tǒng)程序TTBSAS，并對(duì)該程序的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。TTBSAS可實(shí)現(xiàn)無(wú)震和有震條件下的列車-軌道-橋梁耦合振動(dòng)分析，并可根據(jù)需要選擇直接求解法、相對(duì)運(yùn)動(dòng)法、大質(zhì)量法和大剛度法采用一致激勵(lì)、行波激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)三種模式輸入地震波。

5、　　(4)探討了幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響。以TTBSAS程序?yàn)橛?jì)算工具，針對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)法阻尼項(xiàng)、結(jié)構(gòu)擬靜力分量以及不同非一致地震輸入方法對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)法阻尼項(xiàng)對(duì)橋梁和鋼軌動(dòng)力響應(yīng)的影響較小，但會(huì)使車體質(zhì)心加速度偏大;結(jié)構(gòu)縱向擬靜力分量對(duì)耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)無(wú)影響，而橫向擬靜力分量會(huì)

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(duì)運(yùn)動(dòng)法分別會(huì)過(guò)高和過(guò)低估計(jì)車輛的動(dòng)力響應(yīng)。
　　(5)分析了非一致地震激勵(lì)下列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)的振動(dòng)特征。以TTBSAS程序?yàn)橛?jì)算工具，針對(duì)北盤江445m上承式拱橋，通過(guò)大剛度法輸入合成的多點(diǎn)多維地震時(shí)域樣本，分析了行波效應(yīng)、地震完全空間變異性對(duì)列車-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，地震完全空間變異性對(duì)耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)幅

7、值的影響劇烈，僅考慮行波效應(yīng)，可能會(huì)低估橋上車輛的動(dòng)力響應(yīng)。
　　(6)研究了非一致地震激勵(lì)下高速列車過(guò)橋的行車安全性。以脫軌系數(shù)超限持續(xù)時(shí)間、輪重減載率超限持續(xù)時(shí)間、接觸點(diǎn)橫移量以及車輪抬升量為評(píng)判指標(biāo)，研究了非一致地震激勵(lì)下高速列車通過(guò)北盤江特大橋時(shí)的行車安全性。結(jié)果表明，地震動(dòng)空間變異性對(duì)列車行車安全性評(píng)判指標(biāo)的幅值有影響，但對(duì)最終列車過(guò)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(píng)判橋上