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原文传递列车-轨道-路基耦合振动及地震条件下行车安全性分析

论文题名：	列车-轨道-路基耦合振动及地震条件下行车安全性分析
关键词：	铁路线路工程;地震条件;耦合振动;轨道-路基相互作用原理;行车安全性
摘要：	路基是铁路线路工程中薄弱和不稳定的环节。长期以来，列车运行条件下路基的动态沉降变形及服役安全性，一直受到工程界的广泛关注。随着高速铁路的迅速发展，高速度和高密度行车引发的轮轨系统的动力作用、行车的安全性和舒适性以及线路结构的运用安全性问题会越来越突出，而这在我国尚缺乏深入的理论研究。因此，列车、轨道、路基动态相互作用问题已成为高速铁路工程中的亟需开展的力学问题之一。　　此外，中国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个地震灾害严重的国家。随着大规模建设高速铁路，并且许多高速铁路穿越多个地震带，地震发生时地震波会通过线路结构的传递而威胁行车安全。因此，地震条件下的行车安全性问题也是亟需开展的研究课题之一。　　本文针对列车-轨道-路基耦合振动问题和地震条件下行车安全性问题，开展了如下研究工作：　　1.对国内外在列车-轨道-路基动力相互作用问题和地震条件下铁路行车安全性问题方面的研究工作进行了简要的回顾，同时指出了值得借鉴之处和有待进一步研究的问题。　　2.以四轴机车车辆为例建立了车辆动力学模型，并参考相关文献给出了车辆各部件的运动方程。建立了有砟轨道、单元板式轨道、框架型板式轨道、纵连板式轨道、双块式无砟轨道、浮置板轨道和梯子形轨道的动力学模型和运动方程。　　3.建立了路基的三维空间动力学模型，建模时采用动态子结构法，先根据系统的结构特点将其拆分成各子结构，然后对各子结构的三维粘弹性体偏微分动力学方程采用Galerkin法进行离散化，接着利用位移协调条件，对各子结构的方程进行总装，最后得到了整体结构关于广义模态坐标的常微分振动方程。　　4.介绍了轮轨相互作用和轨道-路基相互作用原理、列车-轨道-路基的数值求解方法和列车-轨道-路基动力学仿真软件TTSDYNA，其中对轮轨相互作用原理进行了较详细的介绍，包括轮轨接触坐标系的定义及坐标变换、轮轨静态单点和两点接触几何关系、轮轨动态单点和两点接触几何关系、轮轨法向力和蠕滑力的计算。　　5.在不考虑路基参振的情况下，运用商业软件对车辆.轨道耦合动力学模型进行了验证，基于轮轨动态单点接触的车辆-轨道耦合动力学模型主要与SIMPACK软件验证。基于轮轨动态两点接触的车辆-轨道耦合动力学模型主要与ADAMS/Rail软件验证。　　6.对列车-有砟轨道-路基耦合系统的振动特性进行分析，并结合秦沈客运专线的实测结果进行了对比验证。对列车-无砟轨道-路基耦合系统的振动特性进行分析，并与京津城际铁路实测结果进行了对比验证。　　7.分析了有砟轨道与路基结构参数、无砟轨道与路基结构参数对车轨路耦合系统动力响应的影响规律，并对两种轨道结构的动力响应进行了对比。　　8.以纵连板式无砟轨道为例建立了地震下的列车-轨道-路基动力相互作用模型。接着，对直接法、拟静力位移法和大质量法这三种常用的地震动输入方法进行了介绍，对列车-轨道-路基动力相互作用模型中地震动输入方法的适用性进行了分析。然后，基于直接法求解了列车-轨道-路基系统的地震动响应，并与相关文献的计算结果进行了对比，验证了直接法的正确性和可靠性。此外，在相同计算条件下，基于大质量法进行了地震动响应分析并与直接法的计算结果进行了对比，最后分析了轨道不平顺的影响。　　9.开展了地震条件下的行车安全性分析。首先，对分析中选取的典型输入地震波及规格化方法进行了介绍。接着，运用得到验证的地震作用下的列车-轨道-路基耦合动力学模型，分析了地震动强度和行车速度对地震动响应的影响规律，得出了列车的运行安全域。然后，开展了曲线线路条件下的地震动力响应分析。最后对地震时列车脱轨的主要形式进行了概述，并给出了地震中的两点接触和脱轨算例。　　10.叙述了单自由度隔震系统的隔震原理，同时借鉴日本建筑结构的横向隔震思路，参考实际工程中所使用的在垂向有良好隔振效果的浮置板轨道结构，提出了三种板长的隔震轨道结构型式。接着，基于简化车辆.轨道模型对比分析了不同轨道结构的地震动传递率，还用简化模型分析了隔震轨道隔震器横向刚度和轨道板长度对地震动传递率的影响。其次，运用地震作用下完整的列车-轨道-路基耦合动力学空间模型，对不同轨道结构的地震动响应进行了对比分析。最后，针对铁路隔震轨道，分析了隔震器横向刚度和轨道板长度对地震动响应的影响，并推荐了铁路隔震轨道的结构参数。
作者：	徐鹏
专业：	车辆工程
导师：	蔡成标
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文