基于耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真的高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警閾值研究.pdf

1、近年來，我國高速鐵路迅速發(fā)展，運(yùn)營里程也在不斷增長。同時(shí)，我國是一個(gè)多地震國家，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，行駛的列車由于地震激擾會造成列車脫軌事故，造成人員傷亡，因此要盡快建立地震預(yù)警系統(tǒng)，使鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩玫礁佑行У谋Ｕ?，而地震預(yù)警系統(tǒng)中報(bào)警閾值設(shè)定的合理與否，直接關(guān)系到預(yù)警的效果和系統(tǒng)的可靠性。
　　本文首先對國內(nèi)外已有的高速鐵路地震預(yù)警閾值的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，然后結(jié)合國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和我國高速鐵路對地震預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際需求，對我國高速鐵路

2、預(yù)警系統(tǒng)的報(bào)警閾值，列車緊急控車原則等問題進(jìn)行了分析，為運(yùn)營列車的地震預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。針對高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警閾值相關(guān)問題進(jìn)行了如下研究:
　　(1)為了研究地震時(shí)列車的運(yùn)行安全性，利用有限元軟件建立了車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，無震條件下的計(jì)算結(jié)果與聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)測結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了模型的可靠性，并對整個(gè)橋梁進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了橋梁的頻率和振型。
　　介紹了作為系統(tǒng)內(nèi)部激勵(lì)源的軌道不平順和外部激勵(lì)的四條典

3、型地震波。在總結(jié)分析列車走行安全評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對地震作用下車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)進(jìn)行了大量計(jì)算，得出了以下結(jié)論。
　　地震作用下的車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)較無震時(shí)有明顯的增大，其中橋梁跨中的橫向位移和橫向加速度、車輛的輪軌橫向力等響應(yīng)增大尤為明顯;地震作用下系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)總體趨勢上隨著列車速度的提高而增大，車速提高使系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用加劇，相比無震情況下車速對系統(tǒng)的影響更加顯著;其中列車以400km/h運(yùn)行時(shí)，輪

4、軌橫向力超出安全限值，地震荷載會降低列車的走行安全性。
　　無地震作用時(shí)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)整體隨車速提高有增大的趨勢，但相對于地震作用來說，車速對橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響較小。因此，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)主要取決于地震力的大小。
　　墩高對地震響應(yīng)的影響比較顯著，隨著墩高的增加，橋梁自振頻率減小，周期變大，容易和地震的低頻振動(dòng)形成共振作用;橋梁跨中橫向振動(dòng)加速度和橫向位移隨著墩高增加而增大，原因是橋梁橫向剛度會隨著墩高的增加而降低，地震波傳到

5、橋梁結(jié)構(gòu)上的能量很大程度上釋放到橋梁位移上，造成了位移的增大。梁跨中垂向位移和垂向加速度隨墩高增加，整體變化幅度較小。脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力指標(biāo)總體趨勢是增大的，降低了列車走行安全性，其中當(dāng)墩高取12m時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率指標(biāo)均超出限值。
　　(2)建立了車輛-軌道-路基耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，無震條件下的計(jì)算結(jié)果與聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)測結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了模型的可靠性，可用于地震作用下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)分析。對地震作用下車輛-軌道-

6、路基系統(tǒng)進(jìn)行了大量計(jì)算，得出了以下結(jié)論。
　　在無震條件下，列車以不同速度通過典型路基區(qū)段時(shí)，車輛-軌道-路基系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)峰值均在限值內(nèi)，說明路基能夠滿足安全行車要求;總體趨勢上，隨著列車運(yùn)行速度的增加，車輛-軌道-路基系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)均不同程度的增大。在150km/h-250km/h速度級時(shí)，基床表層垂向加速度變化比較平緩，隨著速度增加，基床表層垂向加速度開始急劇增加。地震作用下，車輛-軌道-路基系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)隨著列車運(yùn)

7、行速度的提高而增加的趨勢比無地震作用下的變化趨勢更加明顯，且與無地震時(shí)的規(guī)律有較大的差別，主要是由于地震激勵(lì)和軌道不平順激擾復(fù)合作用引起，加劇了系統(tǒng)間動(dòng)力相互作用。在0.04g地震動(dòng)強(qiáng)度激勵(lì)下，列車以400km/h運(yùn)行時(shí)，脫軌系數(shù)超出規(guī)定限值，影響列車運(yùn)行安全。
　　(3)建立了車輛-軌道-橋梁-接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）耦合動(dòng)力學(xué)模型和車輛-軌道-橋梁-聲屏障模型，分別分析了不同地震動(dòng)強(qiáng)度和不同頻譜特性地震激勵(lì)下的系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)。<

8、br>　　對比分析了無車和有車工況下的接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)，有車工況下的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)更大，主要是由于地震激勵(lì)加劇了列車和橋面之間的相互作用力，并最終傳遞到接觸網(wǎng)支柱，因此選擇有車工況作為確定閾值的依據(jù)。有車工況下的接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)總體上隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大，在設(shè)定的0.16g的El Centro波激勵(lì)下，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的變形峰值出現(xiàn)在腕臂位置，達(dá)到147.2mm，超出限值，但應(yīng)力未超限;在設(shè)定

9、的0.2g的El Centro波激勵(lì)下，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）動(dòng)變形和應(yīng)力均超限值。采用不同頻譜特性的地震波進(jìn)行激勵(lì)，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的動(dòng)變形和應(yīng)力也不盡相同，其中天津波激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)相對于其他幾種波更加顯著，但在設(shè)定的0.08g的地震動(dòng)強(qiáng)度激勵(lì)下，動(dòng)變形和應(yīng)力均在規(guī)定限值內(nèi)。
　　針對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的許用應(yīng)力指標(biāo)、接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的動(dòng)變形量、建筑限界而言，在相同地震作用下，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）變形相對而言最容易超限，也是影響列

10、車運(yùn)行安全的控制指標(biāo)。
　　對比分析了無車和有車工況下的聲屏障的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)，有車工況下的聲屏障動(dòng)力響應(yīng)比無車工況下的動(dòng)力響應(yīng)更大。3.15m高度聲屏障的動(dòng)力響應(yīng)峰值相對2.15m高度聲屏障的動(dòng)力響應(yīng)峰值更大，主要是由于較高結(jié)構(gòu)的放大作用造成的。
　　在高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警閾值分析時(shí)，應(yīng)考慮不利工況，選擇有車工況下3.15m高聲屏障進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。
　　聲屏障的動(dòng)力響應(yīng)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大，在設(shè)定的0.16g的

11、El Centro波激勵(lì)下，聲屏障的動(dòng)變形未發(fā)生侵限，且離建筑限界還有較大空間，應(yīng)力也未超限，不影響列車運(yùn)行安全;在設(shè)定的0.2g的El Centro波激勵(lì)下的聲屏障的最大應(yīng)力達(dá)到389.2MPa，超出許用應(yīng)力，可能會造成聲屏障的倒伏或者斷裂，從而影響列車運(yùn)行安全;采用不同頻譜特性的典型地震波進(jìn)行激勵(lì)，聲屏障的動(dòng)變形和應(yīng)力均不盡相同，其中在天津波激勵(lì)下的動(dòng)變形和應(yīng)力相對于其它幾種波更加顯著，但在設(shè)定的0.08g的天津波激勵(lì)下，動(dòng)變形在規(guī)

12、定限值內(nèi)，未發(fā)生侵限，且離建筑限界還有較大空間，應(yīng)力也未超出許用應(yīng)力。針對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的許用應(yīng)力指標(biāo)、建筑限界而言，在同等地震動(dòng)強(qiáng)度下，聲屏障的應(yīng)力更容易超限。
　　(4)采用同一種地震波對各系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，分析了地震動(dòng)強(qiáng)度與列車動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系。車速一定時(shí)，系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)總體趨勢上隨著地震動(dòng)強(qiáng)度增大而增大，車輛、橋梁、路基、接觸網(wǎng)支柱、聲屏障等的振動(dòng)越劇烈，車輛的運(yùn)行安全性降低。
　　(5)分別采用四種典型地震波對各系統(tǒng)進(jìn)

13、行地震動(dòng)力響應(yīng)分析，總結(jié)了地震動(dòng)頻譜特性與列車動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)系。地震動(dòng)強(qiáng)度一定時(shí)，采用不同頻譜特性的地震波對同一系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)也不盡相同，由于地震波具有的復(fù)雜性，以及豐富的頻率成分，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c橋梁或者路基的固有周期接近或者一致時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)就要放大，從而降低列車的運(yùn)行安全性。
　　(6)分別用四種典型地震波對各系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，并依據(jù)列車運(yùn)行安全性評價(jià)指標(biāo)、接觸網(wǎng)受流性能評價(jià)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及建筑限界

14、等評價(jià)指標(biāo)，分別求出了不同強(qiáng)度的四條典型地震波激勵(lì)下所允許的列車運(yùn)行安全速度限值。
　　根據(jù)上述各系統(tǒng)求出的列車運(yùn)行安全速度限值和地震動(dòng)強(qiáng)度限值，研究制定了高速鐵路地震監(jiān)測預(yù)警閾值。從偏安全的角度出發(fā)，當(dāng)列車速度達(dá)到350km/h時(shí)，報(bào)警閾值建議取為40Gal，當(dāng)列車速度為150km/h時(shí)，報(bào)警閾值建議取為80Gal，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)強(qiáng)度達(dá)到120gal時(shí)，接觸網(wǎng)斷電。
　　根據(jù)不同的報(bào)警閾值，制定了相應(yīng)的緊急處置原則，總共設(shè)3個(gè)控