列車(chē)-軌道-路基耦合振動(dòng)及地震條件下行車(chē)安全性分析.pdf

1、路基是鐵路線(xiàn)路工程中薄弱和不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)。長(zhǎng)期以來(lái)，列車(chē)運(yùn)行條件下路基的動(dòng)態(tài)沉降變形及服役安全性，一直受到工程界的廣泛關(guān)注。隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，高速度和高密度行車(chē)引發(fā)的輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力作用、行車(chē)的安全性和舒適性以及線(xiàn)路結(jié)構(gòu)的運(yùn)用安全性問(wèn)題會(huì)越來(lái)越突出，而這在我國(guó)尚缺乏深入的理論研究。因此，列車(chē)、軌道、路基動(dòng)態(tài)相互作用問(wèn)題已成為高速鐵路工程中的亟需開(kāi)展的力學(xué)問(wèn)題之一。
　　此外，中國(guó)地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，是一個(gè)地震

2、災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家。隨著大規(guī)模建設(shè)高速鐵路，并且許多高速鐵路穿越多個(gè)地震帶，地震發(fā)生時(shí)地震波會(huì)通過(guò)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)的傳遞而威脅行車(chē)安全。因此，地震條件下的行車(chē)安全性問(wèn)題也是亟需開(kāi)展的研究課題之一。
　　本文針對(duì)列車(chē)-軌道-路基耦合振動(dòng)問(wèn)題和地震條件下行車(chē)安全性問(wèn)題，開(kāi)展了如下研究工作：
　　1.對(duì)國(guó)內(nèi)外在列車(chē)-軌道-路基動(dòng)力相互作用問(wèn)題和地震條件下鐵路行車(chē)安全性問(wèn)題方面的研究工作進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧，同時(shí)指出了值得借鑒之處和有待進(jìn)一步研究的

3、問(wèn)題。
　　2.以四軸機(jī)車(chē)車(chē)輛為例建立了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，并參考相關(guān)文獻(xiàn)給出了車(chē)輛各部件的運(yùn)動(dòng)方程。建立了有砟軌道、單元板式軌道、框架型板式軌道、縱連板式軌道、雙塊式無(wú)砟軌道、浮置板軌道和梯子形軌道的動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程。
　　3.建立了路基的三維空間動(dòng)力學(xué)模型，建模時(shí)采用動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法，先根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其拆分成各子結(jié)構(gòu)，然后對(duì)各子結(jié)構(gòu)的三維粘彈性體偏微分動(dòng)力學(xué)方程采用Galerkin法進(jìn)行離散化，接著利用位移協(xié)調(diào)條件，對(duì)

4、各子結(jié)構(gòu)的方程進(jìn)行總裝，最后得到了整體結(jié)構(gòu)關(guān)于廣義模態(tài)坐標(biāo)的常微分振動(dòng)方程。
　　4.介紹了輪軌相互作用和軌道-路基相互作用原理、列車(chē)-軌道-路基的數(shù)值求解方法和列車(chē)-軌道-路基動(dòng)力學(xué)仿真軟件TTSDYNA，其中對(duì)輪軌相互作用原理進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，包括輪軌接觸坐標(biāo)系的定義及坐標(biāo)變換、輪軌靜態(tài)單點(diǎn)和兩點(diǎn)接觸幾何關(guān)系、輪軌動(dòng)態(tài)單點(diǎn)和兩點(diǎn)接觸幾何關(guān)系、輪軌法向力和蠕滑力的計(jì)算。
　　5.在不考慮路基參振的情況下，運(yùn)用商業(yè)軟件對(duì)車(chē)

5、輛.軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，基于輪軌動(dòng)態(tài)單點(diǎn)接觸的車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型主要與SIMPACK軟件驗(yàn)證?；谳嗆墑?dòng)態(tài)兩點(diǎn)接觸的車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型主要與ADAMS/Rail軟件驗(yàn)證。
　　6.對(duì)列車(chē)-有砟軌道-路基耦合系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，并結(jié)合秦沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)列車(chē)-無(wú)砟軌道-路基耦合系統(tǒng)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，并與京津城際鐵路實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　7.分析了有砟軌道與路基結(jié)構(gòu)參數(shù)、無(wú)

6、砟軌道與路基結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)車(chē)軌路耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律，并對(duì)兩種軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。
　　8.以縱連板式無(wú)砟軌道為例建立了地震下的列車(chē)-軌道-路基動(dòng)力相互作用模型。接著，對(duì)直接法、擬靜力位移法和大質(zhì)量法這三種常用的地震動(dòng)輸入方法進(jìn)行了介紹，對(duì)列車(chē)-軌道-路基動(dòng)力相互作用模型中地震動(dòng)輸入方法的適用性進(jìn)行了分析。然后，基于直接法求解了列車(chē)-軌道-路基系統(tǒng)的地震動(dòng)響應(yīng)，并與相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了直接法的正確性和可

7、靠性。此外，在相同計(jì)算條件下，基于大質(zhì)量法進(jìn)行了地震動(dòng)響應(yīng)分析并與直接法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，最后分析了軌道不平順的影響。
　　9.開(kāi)展了地震條件下的行車(chē)安全性分析。首先，對(duì)分析中選取的典型輸入地震波及規(guī)格化方法進(jìn)行了介紹。接著，運(yùn)用得到驗(yàn)證的地震作用下的列車(chē)-軌道-路基耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了地震動(dòng)強(qiáng)度和行車(chē)速度對(duì)地震動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，得出了列車(chē)的運(yùn)行安全域。然后，開(kāi)展了曲線(xiàn)線(xiàn)路條件下的地震動(dòng)力響應(yīng)分析。最后對(duì)地震時(shí)列車(chē)脫軌的主要

8、形式進(jìn)行了概述，并給出了地震中的兩點(diǎn)接觸和脫軌算例。
　　10.敘述了單自由度隔震系統(tǒng)的隔震原理，同時(shí)借鑒日本建筑結(jié)構(gòu)的橫向隔震思路，參考實(shí)際工程中所使用的在垂向有良好隔振效果的浮置板軌道結(jié)構(gòu)，提出了三種板長(zhǎng)的隔震軌道結(jié)構(gòu)型式。接著，基于簡(jiǎn)化車(chē)輛.軌道模型對(duì)比分析了不同軌道結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)傳遞率，還用簡(jiǎn)化模型分析了隔震軌道隔震器橫向剛度和軌道板長(zhǎng)度對(duì)地震動(dòng)傳遞率的影響。其次，運(yùn)用地震作用下完整的列車(chē)-軌道-路基耦合動(dòng)力學(xué)空間模型，對(duì)不