高速铁路地震预警阈值随机振动分析

为研究地震作用下列车的动态响应和预警阈值,对车辆-轨道模型进行振动台模型试验,将试验结果与车辆-轨道数值计算模型的计算结果进行对比,对比结果基本吻合,表明数值计算模型具有一定的正确性;随后利用上述计算模型进行了地震波的频谱特性分析,结果表明,当地震波频率在1Hz附近时,容易与车体水平向自振频率产生共振,导致列车出现轮轨分离状态。因此,采用传统脱轨指标恐无法判断列车安全运行的真实状态,将采用轮轨水平向相对位移、车轮抬升量和车体倾覆角三种脱轨指标来进行对列车地震预警阈值的确认和推导;最后提出确定高速铁路地震预警阈值的新思路。基于上述车辆轨道数值模型,挑选80条典型地震动记录,分别施加到车辆-轨道数学模型中进行时程分析计算,将计算结果中的车轮抬升量、轮轨接触点水平位移、车体倾覆角等参数与地震动峰值加速度之间的关系进行统计分析,利用随机振动原理给出地震作用下列车的地震预警阈值评价表。     

地震波频谱特性对高速列车动态脱轨行为的影响

为研究地震下高速列车的动态响应及地震波频谱特性对车辆动态脱轨行为的影响,发展了一种地震激励下车辆/轨道耦合动力学数值模型,车辆模型被简化为考虑悬挂非线性特性的35自由度多刚体系统,板式轨道被视为由钢轨、扣件系统、轨道板及CA砂浆层组成的弹性支承结构,钢轨被视为连续弹性离散点支承基础上的Timoshenko梁,轨道板用三维实体有限元模拟。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入计算模型中。基于仿真计算,对地震情况下高速列车的动力响应进行了详细分析,并重点分析了地震波频谱特性对高速车辆动态脱轨机理的影响。分析结果表明:地震波的频谱特性对车辆的动态响应、脱轨机理及车辆的运行安全有着重要的影响。     

地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析

摘要: 为了研究地震作用下高速列车与桥梁耦合振动特性,通过分析JR300系列轮轨高速列车与高架桥在地震作用下的耦合振动,对轨道不平顺、不同地震波对耦合振动响应的影响进行比较研究。结果表明：轨道竖向不平顺会加大车体振动竖向加速度,在地震作用下,车体加速度会接近或超过规定限值;桥梁在地震与列车作用下,考虑轨道的竖向不平顺对桥梁的竖向响应影响较小;不同地震波激励对车桥振动响应影响有较大不同。     

不平顺条件下高速铁路轨道振动的解析研究

为了分析不平顺条件下高速铁路轨道结构振动,推导了移动车辆在轮对处和轨道结构在轮轨接触点处的柔度矩阵,考虑移动轴荷载和轨道不平顺,建立了移动车辆-轨道垂向耦合振动的解析模型.模型中,移动车辆考虑为弹簧和阻尼器连接的多刚体系统;有碴轨道结构模拟为连续弹性3层梁;轮轨间考虑为线性赫兹接触.算例分析了单台TGV高速动车引起的有碴轨道结构振动,得到轨道不平顺引起的动态轮轨力和轨道各部分的最大振动加速度,研究了列车速度、轨道不平顺以及轨下垫板及扣件、道床和路基等轨下基础刚度对轨道振动的影响.计算表明:随着列车速度和轨道不平顺的增加,轨道结构的振动响应不断增大;轨下基础刚度对轨枕和道床的振动影响较大,对钢轨振动的影响较小.     

车辆—轨道耦合系统垂横模型及其验证

本文根据车辆－轨道耦合动力学原理,建立车辆－轨道垂横耦合模型,并进行全面的验证：首先与国际著名软件NUCARS进行对比;其次与车辆－轨道垂向耦合模型得到的车辆和轨道系统垂向随机响应对比;然后与鹰厦线小半径曲线试验结果对比;最后与货物列车的线路试验结果对比。对比结果有力地验证了车辆－轨道耦合系统垂横模型及其求解方法的正确性和合理性,为车辆－轨道耦合系统垂横模型的广泛应用奠定了基础。     

加固路基-列车耦合系统地震响应及安全性分析

以某计划铺设路基线路为研究对象,考虑黏-弹性人工边界、土壤的非线性、结构间动态接触,建立了列车-路堤-土体耦合系统有限元模型。采用Drucker-Prager材料本构,并进行修正。轮对和钢轨采用双向对称接触方式在轮对与钢轨表面间建立垂向接触对和侧向接触对,轮轨间作用力采用罚函数方法计算。提出了软土地基加固方案,对比分析了地基加固前后,列车-路堤-地基系统的地震响应;讨论了软土路基震后残余变形对列车地震脱轨安全性的影响程度及规律。计算结果表明:地基加固对地震激励下列车-轨道结构动力响应以及列车运行安全性影响显著,加固后脱轨系数、轮重减载率和车体加速度均显著减小。     

列车-高架桥式客站耦合系统振动响应分析EI北大核心CSCD

针对中国高速铁路"站桥合一"大型枢纽客站的车致振动问题,以新长沙南站为例,利用自主开发的计算分析软件TRBF-DYNA建立了列车-轨道-客站耦合系统空间整体动力学分析模型,研究车致客站振动响应的分布规律、传播和衰减规律。车辆采用31自由度车辆模型,采用有限元方法建立轨道-客站三维整体动力学模型,轮轨之间采用空间非线性接触模型。开展了单线和双线行车工况下的列车-轨道-客站耦合振动分析。结果表明:受列车竖向动力荷载控制,客站以竖向振动为主;无砟轨道结构可以过滤轮轨高频激励,降低列车对轨道层主梁的冲击作用;桥式结构体系可以较好地减小轨道层振动对上部结构振动的影响;双线行车引起的客站振动响应高于单线行车,但均能满足舒适性要求;车辆行车安全性指标符合规范要求,表明该客站结构设计具有较高的安全储备。     

板式轨道在高速列车作用下的动力响应分析

通过理论计算与现场试验研究高速列车与板式轨道的动力相互作用。提出了高速列车—板式轨道系统(简称此系统)空间振动分析方法:列车模型每节车辆考虑26个自由度;针对板式轨道结构特点,建立了32个自由度的板式轨道空间振动轨段单元新模型;基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立了此系统空间振动矩阵方程;采用Wilson-θ法求解。计算了板式轨道在高速列车作用下的位移以及车辆的脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等动力响应,并与现场试验结果进行了对比。结果表明:理论计算结果与现场试验结果具有较好的一致性,由此说明文中提出的方法正确可靠。最后,还探讨了轨道刚度对此系统空间振动响应的影响规律。     

撞击荷载作用下高速铁路桥梁的动力响应及列车运行安全分析

建立了“列车-桥梁-撞击荷载”系统动力分析模型,通过在松花江大桥进行的现场试验,得到了流冰撞击力时程,施加到桥墩上作为系统的激励。编制了分析程序,以高速铁路5×32m预应力混凝土简支单线箱梁桥为算例,通过计算机模拟,对流冰撞击作用下桥梁结构的动力响应及桥上高速列车的运行安全问题进行了研究。分析了在有流冰、无流冰撞击作用两种情况下,桥梁结构关键部位的位移和加速度响应,以及桥上高速运行列车的车辆脱轨系数和轮重减载率等行车安全指标。计算结果表明:流冰撞击作用对桥梁结构以及高速列车的动力特性具有较大的影响,撞击作用使桥梁和车辆的动力响应大幅度增大。当流冰撞击荷载峰值达到4000kN时,车辆减载率已经超过了0.6的限值。撞击荷载作为一项特殊的作用力,在高速铁路桥梁的动力设计中应予以重视。     

突变阵风对列车动力响应及行车安全性的影响

突变阵风因风速在短时内发生瞬时变化容易对高速列车的行车安全性造成威胁。根据一维多变量非平稳随机过程理论，模拟了空间相关的时变阵风脉动风速场。采用多体动力学软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS，建立了42自由度的刚性列车与柔性轨道-桥梁相互作用的刚柔耦合模型，考虑横风向时变阵风的影响，基于刚柔耦合法形成了较为完善的风-列车-轨道-桥梁耦合动力学分析系统。以大跨度拱桥为工程背景，分析了时变阵风在不同车速和风速下对列车和桥梁动力响应特性及行车安全性的影响。结果表明：阵风对桥梁和车辆的动力响应具有重要的影响；在相同条件下考虑阵风影响时，主跨跨中横向位移增幅达到了200%，车辆的轮重减载率、脱轨系数相比于不考虑阵风时增大近30%；在风速大于25 m/s，车速大于80 km/h，轮重减载率将超过安全限值，表明车辆可能发生脱轨。     

Post-derailment dynamic behaviour of a high-speed train under earthquake excitations

A post-derailment dynamic model of a high-speed train is developed to investigate the post-derailment dynamic behaviours of a high-speed train travelling on a railway bridge during an earthquake. The train model is comprised of two trailer cars and two motor cars. The adjacent two cars are coupled with a coupler model considering the nonlinear characteristic and limit rotation angle of the coupler. A bridge seismic response model is formulated by using the finite element method to evaluate the dynamic responses of the railway bridge under earthquake excitations, and then the responses are used as the input of the post-derailment dynamic model to analyze the post-derailment dynamic behaviours of a high-speed train. Before derailment the high-speed train runs over the rails, the nonlinear Hertzain contact model and the FASTSIM algorithm are employed to estimate the wheel/rail normal forces and tangent forces respectively. After derailment the high-speed train runs on the slab track, the OBBtrees theory is adopted to detect the contact situations between the vehicle components and the track, while the normal forces and tangent forces at the contact points are evaluated by the nonlinear Hertzain contact theory and the Coulomb friction law respectively. Using the post-derailment dynamic model of a high-speed train, the derailment postures of the high-speed train under earthquake excitations are investigated, and the effects of marshalling type of train on the post-derailment dynamic behaviours are further discussed in this study. The results indicate that the trailer car has a better self-protection capacity compared to those of a motor car during a derailment. The marshalling type (TC1 + MC2 + MC3 + TC4) of a high-speed train can easily form the buckling pattern after a derailment, which may contribute considerably to the outcomes of a derailment. Therefore, it is necessary to take some countermeasures to eliminate the buckling pattern of train during a derailment.     

世界铁路发展状况及其关键力学问题 全国结构工程学术会议特邀报告

论述了世界部分发达国家和我国铁路发展情况、铁路运输的优点及其在经济建设中所发挥的作用。介绍了世界发达国家和我国铁路发展历史和未来轨道交通发展方向。详细讨论了现有铁路运输存在的问题和未来高速铁路亟待解决的关键力学问题。它们主要是:(1)弓网/列车/轨道(桥梁)大系统耦合动力学; (2)车辆结构强度和可靠度问题;(3)轮轨关系(脱轨、粘着、滚动接触疲劳和波浪形磨损、轮轨噪声);(4)高速列车弓网动力学和高速受流条件下摩擦磨损;(5)轨道结构关键力学和严酷环境下轨道工程破坏问题。这些问题直接危及到行车的安全和运行品质.并提出今后解决这些问题的主要方向。     

高速列车振动荷载作用下电缆隧道结构动力响应分析

城市中地下管线铺设较为复杂,城市轨道或者城际高速铁路会修建在地下管线上方。以京津城际轨道交通工程为例,研究高速车辆振动荷载对铺设地下管线的隧道结构产生的动力影响。运用耦合动力学,建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,计算高速列车通过时车辆-轨道耦合系统的动力响应。结合有限元理论,建立桩板-土体-隧道一体化纵横垂向空间耦合动力仿真模型。将车辆-轨道耦合系统振动分析模型得到的荷载谱,作为外部激励作用在动力仿真模型上,对电缆隧道的动力响应进行研究。计算结果表明,京津城际铁路运营后高速列车振动荷载的动力作用不会对桩板结构下的电缆隧道产生显著的不利影响。     

地震作用下千米级高速铁路悬索桥行车安全性研究

为研究地震作用下超大跨铁路悬索桥桥上列车的行车安全问题,以某主跨为1 120 m的公铁两用悬索桥方案为研究对象,采用虚拟横梁法建立了全桥梁格模型,并通过板梁组合模型验证了梁格模型的正确性。在此基础上,通过输入7条地震波,采用自主编制的列车-轨道-桥梁-地震分析程序TTBSAS进行仿真计算,研究了一致激励、行波激励下悬索桥-列车系统的动力响应特征,分析了列车过桥时的行车安全性。结果表明:对于悬索桥-列车系统,地震对桥梁和轨道动力响应的影响大于车辆;横向地震除了使钢桁梁主梁及桥上轨道发生大幅横向振动外,还会诱发主梁的附加扭转振动;不考虑地震行波效应会严重低估列车的行车安全性指标。对于这些计算条件,桥上列车行车安全性研究的最不利行波波速为500 m/s,在0.15g设计地震作用下列车通过主跨1 120 m悬索桥时的安全车速阈值为300 km/h。     

轨道刚度对高速轮轨系统振动噪声的影响

高速铁路对环境的噪声污染是一个不可忽视的问题,在已建立的轮轨滚动噪声预测模型的基础上,以板式轨道为对象,研究了在轮轨表面粗糙度(随机短波激扰)的激励下,轨道刚度变化对高速轮轨系统振动及轮轨噪声的影响.结果表明:降低轨道刚度,可以有效降低轮轨系统400Hz以下频率的振动,但对400Hz以上的振动基本无影响,从而,对轮轨噪声也基本无影响.     

车-轨-桥动力系统中Rayleigh阻尼参数分析

针对车-轨-桥动力系统中Rayleigh阻尼参数的取值问题,以高速铁路40m简支梁桥、板式无砟轨道和高速列车为对象,采用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分析了结构阻尼比和参考频率选取对耦合系统动力响应的影响规律,并基于Rayleigh阻尼模型的带通滤波特征提出了车-轨-桥动力系统中Rayleigh阻尼参数的统一取值方法。结果表明：桥梁位移、加速度、脱轨系数和轮重减载率均随阻尼比的增大而减小,但车体加速度随阻尼比的增加变化却不大。当阻尼比ξ和参考频率ωi一定时,增大参考频率ωj相当于降低阻尼比ξ,车桥系统的动力响应随之增大。在车-轨-桥动力系统中,建议结构阻尼比ξ根据材料类型取较小值,参考频率ωi取结构基频ω1,ωj取轨道几何不平顺产生的最高激振频率ωf =最高车速/轨道几何不平顺最小波长。     

考虑粘滑效应的核电站环行起重机地震瞬态响应分析EI北大核心CSCD

核岛安全壳-吊车耦合体系在强震下的可维持性是影响核安全的关键因素之一。为揭示粘滑效应对体系抗震性能的影响,采用修正的LuGre模型描述驱动轮与轨道之间stick-slip行为;引入线性互补问题描述各叠放部件的非光滑接触,建立考虑多点摩擦接触的环行起重机刚柔耦合动力学模型;选取代表性的强震记录作为基岩地震动,对多工况下的地震瞬态响应进行分析,揭示耦合体系地震响应机理。研究结果表明:制动轮与轨道之间的摩擦力是将体系维持在既定位置的关键,动力学模型必须考虑粘滑效应;跳轨行为受三向地震共同影响,水平强震和竖向弱震亦可诱发跳轨;瞬时跳轨诱发瞬时冲击,峰值轮压可达静轮压的10倍,主钩峰值拉力达静拉力的2.5倍,须安装隔震装置避免钢丝绳破断。