強地震作用下大跨度橋梁空間動力效應(yīng)及列車運行安全研究.pdf

1、本文是國家自然科學(xué)基金項目“強地震/強風(fēng)作用下長大橋梁空間動力效應(yīng)及行車安全控制研究”的研究成果之一。
　　高速鐵路對解決大城市之間的交通問題以及促進經(jīng)濟、社會發(fā)展起到越發(fā)重要的作用。為了減少對鐵路沿線對既有環(huán)境的影響，高架橋梁在高速鐵路線中的比重不斷增加。隨著列車速度的提高，列車運營班次亦隨之增加，呈現(xiàn)出“公交化”趨勢。相對于過去，在地震多發(fā)區(qū)域列車行駛在橋梁上遭遇突發(fā)地震的概率大大提高。因此，車橋耦合動力分析考慮地震作用成為了

2、一項重要課題。在借鑒國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對長大橋梁特點，視地震、橋梁和車輛為一個統(tǒng)一的大系統(tǒng)，建立了多層次的地震-車-橋分析模型；并編制了相應(yīng)的分析程序；研究了不同地震動輸入模式、地震動空間變異因素、行車速度等對橋梁上運行列車安全性的影響。主要研究工作和成果如下：
　　1)考慮空間變異性的多點地震動模擬
　　針對長大橋梁，在僅已知場地特征條件下，采用基于譜方法的無條件模擬技術(shù)產(chǎn)生多點地震波；若給定單點地震波，則采用

3、基于多變量線性預(yù)測理論的條件模擬技術(shù)產(chǎn)生多點地震波。橋梁一般遠離震源，結(jié)束時刻的速度、位移均為零值；采用一致化方法能夠從地震加速度時程得到滿足該要求的地震記錄。
　　2)地震動輸入模式
　　在回顧橋梁抗震中地震激勵輸入的基礎(chǔ)上，結(jié)合車橋耦合振動特點，對比分析了不同地震激勵輸入模式的特點、實現(xiàn)方法以及適用性，得到如下結(jié)論：
　　與橋梁抗震關(guān)注相對運動不同，地震.車.橋分析需要研究系統(tǒng)的絕對運動。
　　位移輸入模式對

4、于所有輪軌關(guān)系均能適用；而加速度輸入模式僅適用于輪軌關(guān)系為線性的情況，并且需要考慮擬靜力分量對車橋耦合系統(tǒng)的影響。
　　當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)采用振型疊加法時，若采用地震位移輸入模式，則必須考慮盡可能多的結(jié)構(gòu)模態(tài)。
　　3)多層次的地震-車-橋分析模型
　　視簡支梁橋為連續(xù)體，運動由微分方程描述，而列車簡化為一系列的簧上質(zhì)量；從而建立了多點地震激勵作用下車橋耦合簡化分析模型。應(yīng)用該模型可以研究地震多點激勵、軌道不平順等對車橋系統(tǒng)耦

5、合振動的影響。
　　基于有限元法與輪軌分離模型，建立了強地震作用下高速列車通過長大橋時動力相互作用分析模型。該分析模型既考慮了長大橋梁的多點地震激勵，又模擬了可能出現(xiàn)的車輪懸浮。
　　4)地震-車-橋分析的數(shù)值求解
　　在考慮層、聯(lián)結(jié)度判據(jù)基礎(chǔ)上，通過新增列高和判據(jù)進行節(jié)點正序排列，從而解決了有限元帶寬優(yōu)化RCM算法的不穩(wěn)定性問題；然后，應(yīng)用于地震-車-橋分析。采用Newmark-β方法結(jié)合同步迭代求解車橋動力相互作用

6、；迭代初始時刻的車橋系統(tǒng)運動狀態(tài)由前兩步的系統(tǒng)運動狀態(tài)應(yīng)用顯式積分公式預(yù)測得到。在采用極小時間步長的情況下，上述策略使得數(shù)值求解成為可能。
　　將橋梁、車輛分別簡化為豎向振動的彈簧振子、簧上質(zhì)量系統(tǒng)，應(yīng)用譜半徑理論研究不同輪軌關(guān)系、不同迭代格式下車橋動力相互作用的數(shù)值求解穩(wěn)定性問題，針對可能引起迭代計算發(fā)散的原因，提出了基于虛擬質(zhì)量法的改進措施。
　　5)地震作用下高速列車過橋時動力響應(yīng)及輪軌分離規(guī)律研究
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