強(qiáng)地震作用下大跨度橋梁空間動(dòng)力效應(yīng)及列車運(yùn)行安全研究.pdf

1、本文是國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“強(qiáng)地震/強(qiáng)風(fēng)作用下長(zhǎng)大橋梁空間動(dòng)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(duì)解決大城市之間的交通問題以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展起到越發(fā)重要的作用。為了減少對(duì)鐵路沿線對(duì)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(yùn)營(yíng)班次亦隨之增加，呈現(xiàn)出“公交化”趨勢(shì)。相對(duì)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(dòng)力分析考慮地震作用成為了

2、一項(xiàng)重要課題。在借鑒國(guó)內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)長(zhǎng)大橋梁特點(diǎn)，視地震、橋梁和車輛為一個(gè)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(dòng)輸入模式、地震動(dòng)空間變異因素、行車速度等對(duì)橋梁上運(yùn)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(diǎn)地震動(dòng)模擬
　　針對(duì)長(zhǎng)大橋梁，在僅已知場(chǎng)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(diǎn)地震波；若給定單點(diǎn)地震波，則采用

3、基于多變量線性預(yù)測(cè)理論的條件模擬技術(shù)產(chǎn)生多點(diǎn)地震波。橋梁一般遠(yuǎn)離震源，結(jié)束時(shí)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(shí)程得到滿足該要求的地震記錄。
　　2)地震動(dòng)輸入模式
　　在回顧橋梁抗震中地震激勵(lì)輸入的基礎(chǔ)上，結(jié)合車橋耦合振動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)比分析了不同地震激勵(lì)輸入模式的特點(diǎn)、實(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)不同，地震.車.橋分析需要研究系統(tǒng)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。
　　位移輸入模式對(duì)

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(duì)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(shí)，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(jiǎn)支梁橋?yàn)檫B續(xù)體，運(yùn)動(dòng)由微分方程描述，而列車簡(jiǎn)化為一系列的簧上質(zhì)量；從而建立了多點(diǎn)地震激勵(lì)作用下車橋耦合簡(jiǎn)化分析模型。應(yīng)用該模型可以研究地震多點(diǎn)激勵(lì)、軌道不平順等對(duì)車橋系統(tǒng)耦

5、合振動(dòng)的影響。
　　基于有限元法與輪軌分離模型，建立了強(qiáng)地震作用下高速列車通過長(zhǎng)大橋時(shí)動(dòng)力相互作用分析模型。該分析模型既考慮了長(zhǎng)大橋梁的多點(diǎn)地震激勵(lì)，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(jìn)行節(jié)點(diǎn)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(dòng)力相互作用

6、；迭代初始時(shí)刻的車橋系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由前兩步的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)用顯式積分公式預(yù)測(cè)得到。在采用極小時(shí)間步長(zhǎng)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(jiǎn)化為豎向振動(dòng)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(dòng)力相互作用的數(shù)值求解穩(wěn)定性問題，針對(duì)可能引起迭代計(jì)算發(fā)散的原因，提出了基于虛擬質(zhì)量法的改進(jìn)措施。
　　5)地震作用下高速列車過橋時(shí)動(dòng)力響應(yīng)及輪軌分離規(guī)律研究
　　選取8節(jié)