高速鐵路車-橋耦合體系地震響應(yīng)分析及報警閾值研究

劉　智

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

?

高速鐵路車-橋耦合體系地震響應(yīng)分析及報警閾值研究

劉智

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

高鐵是國民經(jīng)濟(jì)大動脈的重要組成部分， 運(yùn)輸業(yè)的生力軍。 “十二五”規(guī)劃中將鐵路運(yùn)輸安全放在十分重要的位置， 并明確提出“大規(guī)模發(fā)展具有運(yùn)能大、 安全舒適、 全天候運(yùn)輸、 環(huán)境友好和可持續(xù)性等優(yōu)勢的高速鐵路”的重要目標(biāo)。 由于我國地震頻發(fā)， 地震災(zāi)害對我國的高鐵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅， 而目前我國高速鐵路線路中橋梁所占的比例已經(jīng)超過了50%， 地震發(fā)生時列車運(yùn)行在橋上的概率增大， 因此， 考慮車-橋耦合作用的高鐵列車地震安全性評價和地震報警閾值研究有待于進(jìn)一步加以推進(jìn)。

我國高鐵地震報警和緊急處置系統(tǒng)的研究和示范工程建設(shè)才剛剛起步， 目前系統(tǒng)尚未得到真實(shí)地震的檢驗(yàn)， 經(jīng)驗(yàn)積累較少， 所采用的一些技術(shù)參數(shù)， 如報警閾值等的合理性有待于進(jìn)一步研究論證， 需要解決的一些關(guān)鍵問題有： ①合理的車-橋耦合模型的構(gòu)建； ②車-橋耦合體系地震響應(yīng)的分析； ③基于中國高速鐵路軌道譜的高鐵列車地震安全性評價； ④確定合理的高鐵列車地震報警閾值。

本文主要針對以上幾個關(guān)鍵問題開展研究工作， 主要研究內(nèi)容和成果如下：

(1) 模型研究。 基于現(xiàn)有基礎(chǔ)調(diào)研資料確定列車模型和橋梁模型具體參數(shù)以及車-橋耦合接觸關(guān)系。 通過彈簧和阻尼器建立橋梁與軌道、 軌道與列車之間的連接， 建立了高鐵列車-高架橋耦合有限元模型， 通過車-橋耦合動力特性分析驗(yàn)證模型的合理性。 輪軌接觸力基于空間動態(tài)輪軌關(guān)系求解： 基于非線性赫茲接觸理論計算輪軌法向力， 基于Kalker線性理論計算輪軌蠕滑力， 再通過Hedrick-Elkinss 理論對計算結(jié)果進(jìn)行非線性修正。

(2) 車-橋耦合地震響應(yīng)分析。 選取典型地震動加速度時程作為外部激勵， 對車-橋耦合體系地震響應(yīng)進(jìn)行分析研究， 得到車-橋耦合體系橋面加速度響應(yīng)放大系數(shù)， 研究地震頻譜特性對橋面地震響應(yīng)的影響規(guī)律。 同時建立不考慮高鐵列車的等跨單橋模型， 對其進(jìn)行地震響應(yīng)分析， 與車-橋耦合模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。 結(jié)果表明， 車-橋耦合模型與單橋模型動力特性和地震響應(yīng)存在一定的差異， 在高鐵橋梁地震響應(yīng)分析中， 考慮車-橋耦合是必要的。

(3) 高鐵列車地震響應(yīng)分析。 以計算得到的車-橋耦合體系橋面加速度時程作為輸入， 同時分別采用中、 德軌道不平順樣本作為內(nèi)部激勵， 基于車-軌耦合動力分析理論， 對高鐵列車地震反應(yīng)進(jìn)行計算分析， 得到列車的動力響應(yīng)值， 包括列車的脫軌系數(shù)、 輪重減載率、 橫向輪軌力等， 并對比規(guī)范中該三項(xiàng)指標(biāo)限值， 對高鐵列車地震安全性進(jìn)行評價。 結(jié)果表明， 基于中國軌道譜計算得到的地震作用下列車安全性三項(xiàng)指標(biāo)值與按照德國譜計算得到的結(jié)果差異較大， 采用德國譜計算得到列車安全性評價三項(xiàng)指標(biāo)值均大于中國譜， 較中國譜偏于保守。

(4) 高鐵列車地震報警閾值研究。 選取不同頻譜特性的典型地震動記錄， 通過調(diào)整地震動峰值進(jìn)行大量計算分析， 基于高鐵列車安全性三項(xiàng)指標(biāo)求解得到不同車速下允許的地震動強(qiáng)度限值曲線， 對全部地震動記錄對應(yīng)的限值曲線進(jìn)行包絡(luò)取值， 得到最小包絡(luò)限值曲線， 對其進(jìn)行適當(dāng)簡化， 最終給出不同車速下高速鐵路列車地震緊急處置系統(tǒng)的報警閾值建議值和簡化公式。 研究結(jié)果表明， 考慮高速鐵路軌道譜， 采用德國譜比中國譜得到的地震報警閾閾值小。 由于德國譜目前在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛和成熟， 有必要進(jìn)一步驗(yàn)證中國高速鐵路軌道譜的合理性與可行性， 并應(yīng)用于實(shí)際工程。

關(guān)鍵詞高速鐵路； 車-橋耦合體系； 地震響應(yīng)分析； 軌道不平順； 地震報警閾值

(作者電子信箱， 劉智： liuzhi8725@126.com)

中圖分類號：P315.9；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.010