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原文传递高速铁路车桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究

论文题名：	高速铁路车桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究
关键词：	高速铁路;车桥耦合体系;地震响应;轨道不平顺;地震报警
摘要：	高铁是国民经济大动脉的重要组成部分，运输业的生力军。十二五规划中将铁路运输安全放在十分重要的位置，并明确提出“大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路”的重要目标。由于我国地震频发，地震灾害对我国的高铁网络构成了严重的威胁，而目前我国高速铁路线路中桥梁所占的比例已经超过了50％，地震发生时列车运行在桥上的概率增大，因此，考虑车桥耦合作用的高铁列车地震安全性评价和地震报警阈值研究有待于进一步加以推进。　　我国高铁地震报警和紧急处置系统的研究和示范工程建设才刚刚起步，目前系统尚未得到真实地震的检验，经验积累较少，所采用的一些技术参数如报警阈值等的合理性有待于进一步研究论证，需要解决的一些关键问题包括：1）合理的车桥耦合模型的构建；2）车-桥耦合体系地震响应分析；3）基于中国高速铁路轨道谱的高铁列车地震安全性评价；4）确定合理的高铁列车地震报警阈值等。　　本文主要针对以上几个关键问题开展研究工作，主要研究内容和成果如下：　　1.模型研究：确定列车模型和桥梁模型具体参数以及车-桥耦合接触关系。为了得到车-桥耦合体系桥面加速度反应，通过基于非线性赫兹接触理论确定的垂向弹簧、切向摩擦接触关系建立桥梁与列车之间的连接，建立了高铁列车-高架桥耦合有限元模型，其中，列车采用简化的6自由度等效刚体模型进行模拟。同时建立不考虑高铁列车的桥梁模型进行对比研究，通过动力特性对比分析，验证了采用车-桥耦合模型的必要性。为了评价高铁列车地震安全性及确定其地震报警阈值，根据高速客运机车参数，建立了31个自由度高速客车-轨道系统模型。其中，列车模型包括车体、1个转向架和4个轮对，车体和转向架考虑横摆、沉浮、侧滚、点头、摇头5个自由度，轮对考虑沉浮、横摆、摇头和侧滚4个自由度。　　2.车-桥耦合体系地震响应分析：选取典型地震动加速度时程作为外部激励，对车-桥耦合体系地震响应进行分析研究，得到车桥耦合体系桥面加速度响应及其放大系数，研究地震频谱特性对桥面地震响应的影响规律；通过与不考虑高铁列车的桥梁模型的地震响应结果进行对比分析，给出了车-桥耦合模型与不考虑高铁列车的桥梁模型地震响应的差异，进一步验证了采用车-桥耦合模型的必要性；系统分析了不同墩高、支墩形式对车-桥耦合体系地震响应的影响；并根据规范要求，验算了车-桥耦合模型梁体竖向位移和墩顶横向位移。　　3.高铁列车地震响应分析及安全性评价：以计算得到的车桥耦合体系桥面加速度时程作为输入，同时分别采用中、德轨道不平顺样本作为内部激励，基于车-轨耦合动力分析理论，对高铁列车地震反应进行计算分析。基于赫兹非线性接触理论、Kalker线性理论、Hedrick-Elkinss理论和轮轨空间力学关系，求解得到列车安全性评价三项指标值：列车的脱轨系数、轮重减载率、横向轮轴力，并对比规范中该三项指标限值，对高铁列车地震安全性进行评价。对比分析了考虑中、德轨道谱的计算结果发现，采用德国谱计算得到列车安全性评价三项指标值均大于采用中国谱的结果，更偏于危险。　　4.高铁列车地震报警阈值研究：选取不同频谱特性的典型地震动记录，通过调整地震动峰值进行计算分析，基于高铁列车安全性三项指标求解得到不同车速下的地震动强度限值曲线，对全部地震动记录对应的限值曲线进行包络取值，得到最小包络限值曲线，对其进行适当简化，最终给出不同车速下高速铁路列车地震紧急处置系统的报警阈值建议值和简化公式。研究结果表明，考虑高速铁路轨道谱，不同车速下采用德国谱比中国谱得到的地震报警阈阈值小。
作者：	刘智
专业：	土木工程
导师：	郭恩栋
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国地震局工程力学研究所
学位年度：	2015
正文语种：	中文