详情

原文传递高速铁路轨道结构地震作用响应机理与分析方法研究

论文题名：	高速铁路轨道结构地震作用响应机理与分析方法研究
关键词：	高速铁路;轨道结构;动力响应;地震作用
摘要：	轨道-路基-基础是一个相互耦合的结构，在高速、高载的列车荷载与地震作用下可能出现刚度退化和过度变形，造成人民生命财产的巨大损失以及高昂的维修费用，亟需对高速铁路轨道地震作用响应机理展开系统全面的研究。一方面，地震与列车移动荷载都具有低频分量，意味着高速铁路在两种荷载共同作用下可能会发生低频共振现象。另一方面，在大跨越或穿越不同场地的多支承点结构地震响应分析中，非一致地震动受到越来越多的关注，而针对轨道-路基-基础系统在列车移动荷载和非一致地震动共同作用下的动力响应研究明显不足。本文通过理论推导与数值模拟相结合的方法深入分析了无砟轨道-路基-基础系统在列车移动荷载和非一致地震动耦合作用下的动力响应。主要研究内容概括如下: 　　(1)总结了地震动的空间变异性及非一致地震动合成方法，并利用包络函数乘以空间平稳加速度迭代得到满足空间效应的非一致地震加速度。为保证生成的非平稳地震波的功率谱与目标功率谱相吻合，结合已生成的非平稳地震波的相位谱重新生成地震波，通过迭代得到频域能量满足目标误差的空间非一致地震动。　　(2)借助三维有限元方法研究了一致激励与非一致激励下轨道-路基-基础耦合系统地震响应差异。分别从时域和频域研究了轨道-路基-基础系统地震响应的加速度时程、位移时程以及传递系数。通过对轨道-路基-基础系统在非一致激励下的峰值加速度、峰值位移及其出现时间以明确非一致地震动空间效应对高速铁路轨道动力响应的影响程度。研究表明随着高速铁路跨距增大，地震动的空间效应越明显，在抗震设计中应适当考虑地震动的空间效应。　　(3)推导了钢轨自由振动微分方程和单轴移动荷载作用下多层梁体系动力平衡方程。以京沪高铁轨道系统和CRH3型高速列车为对象，建立了列车移动荷载作用下的无砟轨道-路基-基础耦合的有限/无限元模型，研究了高速列车作用下耦合系统的动力响应规律。将列车荷载简化为多轴面荷载，通过VDLOAD子程序添加到数值模型中，并通过有限-无限元模型(FE-IE)和欧拉伯努利弹性梁(E-BEB)进行模型验证。研究表明地面竖向位移与列车速度之间的关系呈非线性，振动最大幅值出现在列车达到“临界速度”时。通过大量参数分析揭示了采用具有较高弹性模量和阻尼系数的扣件可以降低高速列车移动荷载引起轨道-路基系统振动，提高路基路堤刚度是缓解轨道-路基-基础系统振动的有效途径。　　（4）基于有限/无限元模型进行非一致地震动和列车移动荷载耦合作用下轨道-路基-基础系统的动力响应分析。对比了非一致激励与一致激励下耦合系统动力响应差异，说明在高速铁路地震分析时应适当考虑地震空间效应。空间地震动作用下结构可能更早地出现位移峰值，结构产生更大破坏。相较于仅在非一致地震动激励下或仅在列车移动荷载作用下，轨道板和路基结构在耦合荷载作用下的动力响应规律性降低，地震影响占据主导，并且地震作用明显增大了轨道板的正向位移。
作者：	王成功
专业：	土木水利
导师：	杨国涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023