高速鐵路結(jié)構(gòu)損傷分析與安全控制研究

楊 懷 志

(京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100000)

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高速鐵路結(jié)構(gòu)損傷分析與安全控制研究

楊 懷 志

(京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100000)

介紹了國內(nèi)外高速鐵路結(jié)構(gòu)損傷分析與安全控制的研究現(xiàn)狀，反映了其中存在的問題，并展望了高速鐵路結(jié)構(gòu)損傷分析與安全控制的發(fā)展方向,指出加強高速鐵路結(jié)構(gòu)耐久性與安全控制方面的研究，對促進高速鐵路的健康發(fā)展有一定的意義。

高速鐵路，結(jié)構(gòu)損傷分析，安全控制

1 研究的背景和意義

高速鐵路通常是指列車運行速度高于200 km/h的軌道交通系統(tǒng)。由于其具有速度快、載客量高、安全性高、能耗低等優(yōu)點，從1964年日本的新干線系統(tǒng)開通至今，高速鐵路在世界各國得到了快速的發(fā)展。與普通鐵路相比，高速鐵路列車運行速度快，而軌道不平順?biāo)鸬妮嗆墑恿憫?yīng)以及行車的安全性、平穩(wěn)性和乘車舒適性都隨著行車速度的提高而迅速增大[1]，這也對高速鐵路結(jié)構(gòu)的建設(shè)和運營狀態(tài)的監(jiān)測提出了更高的要求。

高速鐵路的建設(shè)必須把確保安全放在首位，高速鐵路結(jié)構(gòu)的安全是高速鐵路服役安全的關(guān)鍵物理支撐。由于高速鐵路結(jié)構(gòu)在長期服役過程中受到自然環(huán)境、使用環(huán)境、動靜力荷載以及材料內(nèi)部因素的作用，不可避免地發(fā)生材料性能劣化和結(jié)構(gòu)損傷累積，最終造成結(jié)構(gòu)承載力下降、可靠性降低、使用壽命縮短。材料性能的退化與結(jié)構(gòu)損傷的積累是漸進的過程，我國高速鐵路建設(shè)進展非?？烨疫\營歷史相當(dāng)短暫，高速鐵路結(jié)構(gòu)的損傷分析與安全控制研究基本處于空白狀態(tài)。因此，加強這一方面的研究來保障高速鐵路結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性便顯得尤為重要。

2 高速鐵路結(jié)構(gòu)損傷分析研究現(xiàn)狀

高速鐵路的列車運行速度通常高于200 km/h，列車的高速運行，加劇了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。因此，相比于公路橋梁結(jié)構(gòu)，高速鐵路結(jié)構(gòu)更側(cè)重于動力損傷的監(jiān)測與分析。高速鐵路結(jié)構(gòu)的動力損傷包括疲勞損傷與災(zāi)害性動力損傷。

疲勞損傷是影響高速鐵路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全壽命性能與服役安全的核心問題之一。高速鐵路結(jié)構(gòu)的疲勞問題主要包括軌道和橋梁等結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題[2]。在高速鐵路中，較為普遍地采用無砟軌道。無砟軌道與橋梁的連接結(jié)構(gòu)主要包括軌道板和水泥瀝青砂漿(CA砂漿)，對于CA砂漿的疲勞特性國內(nèi)外已有相當(dāng)?shù)奈墨I(xiàn)給予關(guān)注[3]，但對無砟軌道結(jié)構(gòu)的整體疲勞性能尚缺乏系統(tǒng)性研究。此外，高速鐵路不僅跨江、跨河與翻山要建設(shè)大型鐵路橋梁，而且在主要線路通過地區(qū)也大量采用鋼筋混凝土高架橋，所以橋梁等結(jié)構(gòu)的損傷問題同樣影響高速鐵路系統(tǒng)的安全運營。鐵路橋梁結(jié)構(gòu)疲勞性能與疲勞可靠性的研究與分析，目前仍以經(jīng)驗性的S—N曲線與疲勞的線性累積損傷理論為主[4]。理論研究與實驗均證明，隨著列車運行速度的增大，列車動力荷載、軌沖擊荷載等疲勞荷載不僅強度顯著增大，而且能量譜也可能發(fā)生明顯的變化，因而疲勞損傷問題對高速鐵路結(jié)構(gòu)性能的影響將更為顯著。

高速鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命一般長達(dá)100年，而且我國高速鐵路穿越的大部分地區(qū)是地震設(shè)防區(qū)和受強風(fēng)影響較強的地區(qū)。因此，必須考慮服役生命周期內(nèi)災(zāi)害性動力作用(地震、強風(fēng))對高速鐵路結(jié)構(gòu)性能的影響。橋梁抗震領(lǐng)域最早、同時也是應(yīng)用最廣泛的方法，仍然是反應(yīng)譜方法。然而，在地震、強風(fēng)等災(zāi)害性作用下，進行動力分析才是真實把握高速鐵路結(jié)構(gòu)災(zāi)害響應(yīng)的有效途徑。作為高速鐵路結(jié)構(gòu)的主要工程材料，鋼材與混凝土的動力損傷本構(gòu)關(guān)系，構(gòu)成了高速鐵路結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能分析的重要基礎(chǔ)。自20世紀(jì)80年代以來，損傷力學(xué)引入了混凝土本構(gòu)關(guān)系研究之中，為全面反映混凝土的非線性性質(zhì)提供了新的理論基礎(chǔ)[5]。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的努力，混凝土彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的基本框架已經(jīng)建立[6]。在此基礎(chǔ)上，基于細(xì)觀物理機制與多尺度建模方法，在混凝土疲勞損傷與動力損傷產(chǎn)生機理與隨機擴散機制方面取得了重要認(rèn)識[7]，目前正在向考慮率相關(guān)效應(yīng)的混凝土動力損傷本構(gòu)關(guān)系邁進[8]。這些研究成果獲得國際學(xué)術(shù)界的高度重視，為高速鐵路結(jié)構(gòu)全壽命服役性能的疲勞損傷與災(zāi)變動力學(xué)模擬奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3 高速鐵路結(jié)構(gòu)安全控制研究現(xiàn)狀

在高速鐵路結(jié)構(gòu)運營階段，必須把結(jié)構(gòu)的安全放在首位?；诟咚勹F路結(jié)構(gòu)以及服役環(huán)境的在線監(jiān)測，進行性能和可靠度評估及有效控制，實現(xiàn)高速鐵路結(jié)構(gòu)監(jiān)控一體化，是實現(xiàn)高速鐵路結(jié)構(gòu)服役安全與可持續(xù)發(fā)展的必然要求。高速鐵路結(jié)構(gòu)的安全控制，主要包括結(jié)構(gòu)的振動控制、長期變形控制以及耐久性和承載力的修復(fù)與性能提升。

目前，國內(nèi)外高速鐵路的監(jiān)測重點停留在車輛以及環(huán)境因素方面，而對高速鐵路結(jié)構(gòu)則重點關(guān)注車橋振動以及環(huán)境振動控制方面。高速結(jié)構(gòu)的振動控制主要從軌道、橋梁和地基的振動控制技術(shù)方面開展，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMDs)是一種可行的鐵路橋梁振動控制方法。考慮到高速列車引起的振動主要集中在幾個明顯的頻率段，在傳統(tǒng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的基礎(chǔ)上，多調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的概念(Multiple Tuned Mass Dampers,MTMDs)被運用到高速鐵路橋梁的振動控制上[9]。對于剛度較大的高速鐵路橋梁而言，研究開發(fā)新型的能夠?qū)Ω咚勹F路運行狀況下的小變形和小幅振動進行有效控制的阻尼器具有重要意義。Museros和Martinezrodrigo[10]運用線性粘性阻尼器控制移動荷載作用下梁式結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)。湖南大學(xué)開展了約束粘彈性阻尼層以及能夠在小變形情況下發(fā)揮有效耗能效果的增敏型新型阻尼器研究，將對高速鐵路結(jié)構(gòu)的振動控制發(fā)揮重要作用[11]。

為了有效控制列車移動荷載作用下的軌道梁的撓曲變形，高速鐵路軌道梁中廣泛應(yīng)用了剛度大的預(yù)應(yīng)力混凝土梁。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛架橋或連續(xù)箱梁橋容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的斜裂縫進而產(chǎn)生過大的豎向撓度，對高速鐵路運營安全造成嚴(yán)重威脅。利用智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或者可調(diào)控的智能錨具對索力進行調(diào)整可避免長期應(yīng)力產(chǎn)生的不良影響和大大減少預(yù)應(yīng)力損失，是控制結(jié)構(gòu)長期變形的有效方法[12]。Bani-Hani和Alawneh[13]通過后張法預(yù)應(yīng)力對移動荷載作用下橋梁振動進行主動控制。

高速鐵路結(jié)構(gòu)耐久性和承載力的修復(fù)與性能提升是高速鐵路長期運營安全必不可少的內(nèi)容。由于我國高速鐵路運營時間尚短，專門針對高速鐵路結(jié)構(gòu)的損傷智能修復(fù)和性能提升的研究還十分欠缺。高速鐵路結(jié)構(gòu)性能提升依賴于損傷修復(fù)理論和方法的創(chuàng)新以及新材料的應(yīng)用。耐久性能的提升是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，必須依賴于內(nèi)提升外防護的方法來進行。國內(nèi)外在碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件、體外碳纖維筋以及高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固預(yù)應(yīng)力混凝土梁等方面開展了系列理論和實驗研究。在日本，廣泛采用碳纖維復(fù)合材料CFRP對高速鐵路線高架橋墩柱進行抗震加固。國內(nèi)，湖南大學(xué)在采用碳纖維復(fù)合材料、高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)以及活性粉末混凝土等方面的研究積累可以在高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的補強加固和性能提升上發(fā)揮作用，為實現(xiàn)高速鐵路結(jié)構(gòu)的智能修復(fù)和性能提升奠定了基礎(chǔ)。

4 研究展望

高速鐵路由于運營速度快、節(jié)能環(huán)保、安全性高等優(yōu)點，在世界各國得到了快速的發(fā)展。然而，由于車—橋之間的耦合作用，環(huán)境長期的侵蝕以及材料性能的退化等原因，造成了高速鐵路結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的損傷積累，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全運營。因此，國內(nèi)外的研究者們對高速鐵路結(jié)構(gòu)損傷分析與安全控制進行了大量的研究。

高速鐵路結(jié)構(gòu)的損傷分析，主要包括疲勞損傷分析和災(zāi)害性動力損傷分析。盡管普速鐵路對于疲勞損傷分析已有大量研究成果，具有重要的參考價值，但由于疲勞荷載特性的變化及時變隨機環(huán)境耦合影響，直接將其推廣應(yīng)用于高速鐵路結(jié)構(gòu)的服役與安全性能評估之中將具有很大的風(fēng)險，因而亟需系統(tǒng)性地開展深入研究工作。此外，疲勞損傷與多場耦合作用導(dǎo)致的性能退化之間存在耦合滋長性質(zhì)。由于高速鐵路結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命長、多場耦合作用機制復(fù)雜，其疲勞損傷與多場耦合作用的研究目前還付之闕如。在災(zāi)變動力學(xué)模擬的研究上，地震—車—橋相互作用已經(jīng)取得了重要的研究進展，車—軌—橋動力學(xué)耦合系統(tǒng)的隨機振動問題正在成為新的熱點[14]，但在此方面研究中，對系統(tǒng)非線性與隨機性耦合影響的考慮還甚為薄弱。

在安全控制的研究中，將基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠度評估與高速鐵路結(jié)構(gòu)全壽命時變可靠度有機結(jié)合，建立監(jiān)控一體化體系，對高速鐵路結(jié)構(gòu)的長期變形、耐久性和剩余承載力進行預(yù)測與智能控制，并為結(jié)構(gòu)性能修復(fù)和提升提供依據(jù)是一條值得研究且具有創(chuàng)新性的途徑。多場耦合作用下基于時變可靠度的高速鐵路結(jié)構(gòu)性能演化與服役安全研究目前屬于國際前沿。

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Research damage analysis and safety management for high speed railway structures

Yang Huaizhi

(Beijing-ShanghaiExpressRailwayCo.,Ltd,Beijing100000,China)

The paper introduces the studies on the damage analysis and safety control at home and abroad, reflects their problems, has the prospect for the damage analysis and safety control of the express railway structure, and points out it is meaningful for enhancing the healthy development of the express railway by improving the durability and safety control of the express railway structure.

high speed railway, structures damage analysis, safety management

1009-6825(2016)10-0111-02

2016-01-22

楊懷志(1969- )，男，高級工程師

U216

A