列車(chē)-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)加速度響應(yīng)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

曹禮聰，童心豪，張志方，張建經(jīng)，李曉斌，楊長(zhǎng)衛(wèi)

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 中國(guó)鐵路總公司 科技管理部，北京 10084)

地震是一種常見(jiàn)且對(duì)鐵路行車(chē)安全產(chǎn)生極大危害的突發(fā)性自然災(zāi)害。地震往往能在極短時(shí)間內(nèi)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重人員傷亡，列車(chē)速度越快，輪軌之間作用力越大[1]，因此當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度達(dá)到或超過(guò)200 km/h時(shí)，地震對(duì)路基、橋梁、軌道等結(jié)構(gòu)的沖擊及高速列車(chē)與下部結(jié)構(gòu)物之間的相互作用都可能危害列車(chē)運(yùn)行的安全性、引起重大事故[2]。例如，2004年10月23日，日本新瀉發(fā)生了里氏6.8級(jí)地震，從東京開(kāi)往新瀉的1列有10節(jié)車(chē)廂的新干線列車(chē)其中的8節(jié)發(fā)生脫軌[3]；2008年5月12日汶川發(fā)生里氏8.0級(jí)地震后，致使寶成線、成昆線、成渝線等鐵路多處塌方，導(dǎo)致31列客車(chē)、149列貨車(chē)在途中滯留，沿線部分車(chē)站、設(shè)備遭到不同程度的損壞，寶成線21043次貨運(yùn)列車(chē)脫軌[4]；2010年3月4日，臺(tái)灣高雄發(fā)生里氏6.7級(jí)地震，臺(tái)灣高鐵因地震停運(yùn)，造成1列北上高速列車(chē)的1節(jié)車(chē)廂脫軌[5]。然而已有的地震歷史資料表明，我國(guó)的地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，50%以上的國(guó)土面積位于Ⅶ度以上的地震高烈度區(qū)，而“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)也有近萬(wàn)公里穿越高地震烈度區(qū)域，因此開(kāi)展高速鐵路地震預(yù)警具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，我國(guó)高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)處于研究階段，地震預(yù)警閾值主要參考日本預(yù)警系統(tǒng)，地震時(shí)警報(bào)值為40 Gal，地震后限速值為80 Gal，地震后停車(chē)值為120 Gal[6-8]。而對(duì)于高速鐵路在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究，目前多集中在數(shù)值計(jì)算方面[9-11]，將車(chē)輛模型、軌道模型和輪軌關(guān)系做了大量的簡(jiǎn)化，同時(shí)針對(duì)于輪軌接觸也未取得有效突破，這就造成計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有差別，因此函待地震作用下高速鐵路動(dòng)力響應(yīng)的試驗(yàn)研究。本文據(jù)此背景，開(kāi)展國(guó)內(nèi)第一臺(tái)列車(chē)-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，本文詳細(xì)的介紹了試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭新坊撥?、底座板、軌道板、軌下墊板、轉(zhuǎn)向架及列車(chē)的制作，其中部分重要零部件由工廠定制，部分現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，模型的制作嚴(yán)格按照相似比設(shè)計(jì)而成，模型路基中、鋼軌、輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架及列車(chē)上均布置三向加速度傳感器。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文探究了列車(chē)-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)在地震作用下水平向和豎向加速度的傳播規(guī)律，分析了不同輪對(duì)及鋼軌之間的響應(yīng)差異、加載不同地震波幅值時(shí)列車(chē)及轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)形式，為后續(xù)深入研究提供一定參考。

1 工程概況

本試驗(yàn)路基原型為京滬高鐵京徐施工段Ⅱ型板式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)路基，路基機(jī)床由表層和底層組成，表層與無(wú)砟軌道混凝土支承層或混凝土底座總厚度不小于70 cm，表層厚度為0.4 m，采用級(jí)配碎石填筑；基床底層厚度為2.3 m，采用A、B組土或改良土填筑?；惨韵绿钪嗀、B、C(不含細(xì)粒土、粉砂及易風(fēng)化軟巖)組填料或改良土。直線地段路基面無(wú)砟軌道混凝土基座范圍內(nèi)設(shè)向外0.5%的坡度，兩側(cè)支承層邊緣至路肩為向外4%的排水坡，表面采用厚10 cm瀝青混凝土封閉。雙線之間填筑級(jí)配碎石表面用混凝土封閉。(備注：A、B、C填料詳見(jiàn)TB 10621—2014《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[14])

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)介紹

2.1 振動(dòng)臺(tái)概況

試驗(yàn)在重慶大學(xué)MTS多功能地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)大廳進(jìn)行，該振動(dòng)臺(tái)具有6個(gè)自由度，臺(tái)面尺寸為6 m×6 m，最大載重量600 kN，最大位移：X向±0.25 m，Y向±0.25 m，豎向±0.25 m；最大速度：X向±1.20 m/s，Y向±1.20 m/s，豎向±1.00 m/s；臺(tái)面最大加速度：X向±1.5g，Y向±1.2g，豎向±1.0g；工作頻段0.1～50 Hz，采用電液伺服和數(shù)值控制，數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)信號(hào)和在線分析同步進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 相似設(shè)計(jì)及模型制作

在此次大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，涉及到很多物理量，通過(guò)分析整理，共有17個(gè)獨(dú)立的物理量，具體如下：幾何尺度L；重力加速度g(Cg=1)；黏聚力C；動(dòng)彈模E；內(nèi)摩擦角φ；動(dòng)泊松比μ；重度γ；剪切波速Vs；輸入加速度A；持續(xù)時(shí)間Td；頻率ω；角位移θ；線位移s(應(yīng)保證Cs=CL)；響應(yīng)速度V；響應(yīng)加速度a；應(yīng)力σ；應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

通過(guò)π定理[12-13]求解14個(gè)導(dǎo)出的相似常數(shù)量，具體結(jié)果見(jiàn)表1。本次試驗(yàn)以原型為研究對(duì)象，在相似體系中，尺寸、加速度和密度作為控制參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，根據(jù)原型及試驗(yàn)設(shè)施等條件，確定本次試驗(yàn)的尺寸相似比為10，密度相似比為1，重力加速度相似比為1。則整個(gè)模型相似比可通過(guò)推導(dǎo)獲得，具體見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨瞥?shù)

(1) 路基

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，基床模型土采用高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)基床填料(A、B組填料或改良土)，填料粒徑級(jí)配應(yīng)符合壓實(shí)性能要求，壓實(shí)系數(shù)≥0.97，不均勻系數(shù)Cu不應(yīng)小于15，地基系數(shù)K30≥190 MPa/m，基床邊坡坡度采用標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路基床邊坡坡度1∶1.5，基床模型尺寸參考TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]根據(jù)相似比進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型中基巖底層采用黏土與碎石子混合而成，基巖表層采用黏土、石膏、碎石子混合而成，模型制作中土體進(jìn)行分層夯實(shí)，包括機(jī)械夯實(shí)和人工夯實(shí)，夯實(shí)后對(duì)土體進(jìn)行環(huán)刀取樣密度測(cè)試，并取土樣送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土體常規(guī)參數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)中為確保夯實(shí)效果，以K30作為控制指標(biāo)。

試驗(yàn)中采用K30指標(biāo)監(jiān)測(cè)路基土體的壓實(shí)效果，壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中要求為基準(zhǔn)，K30值是一個(gè)能反映路基強(qiáng)度與變形參數(shù)的承載力指標(biāo)。K30測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，基床表層的K30為196 MPa/m，可知基床底層的K30為179 MPa/m，滿足試驗(yàn)要求。

圖2 K30測(cè)試曲線

(2) 底座板、軌道板及軌下墊板

底座板采用混凝土材料進(jìn)行預(yù)制，尺寸為9 600 mm×315 mm×30 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度)，平鋪路基表面中間，底座板地面嵌入土體1.5 cm，做模及澆筑與軌道板過(guò)程一致。原型列車(chē)軌道板采用標(biāo)準(zhǔn)工廠預(yù)制高速鐵路CRTS-Ⅱ型軌道板。在無(wú)砟軌道原型中，軌道板把來(lái)自鋼軌和扣件的輪載均勻地傳遞給水泥瀝青砂漿墊層，并且把軌道縱向荷載和橫向荷載傳遞給混凝土凸形定位柱。在模型中，模型軌道板用混凝土板模擬，布于路基中間。本試驗(yàn)中，由于列車(chē)靜止停放在鋼軌上，軌道板不需設(shè)置定位柱，結(jié)合原型尺寸和相似比，試驗(yàn)用軌道板的尺寸為645 mm×255 mm×20 mm(長(zhǎng)度×寬度×高度)，軌道板與底座板之間通過(guò)AB膠強(qiáng)力固結(jié)。

原型中軌下墊板采用鋼材，鐵軌和軌下墊板之間的連接采用螺栓緊固件，見(jiàn)圖3，模型中采用硬聚氯乙烯(硬PVC)，密度為1.45 g/m3，軌下墊板與模型鋼軌之間采用螺栓扣件連接，軌下墊板在工廠預(yù)制時(shí)預(yù)留螺栓孔，軌下墊板與軌道板之間的連接通過(guò)AB膠強(qiáng)力固結(jié)。

為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型一致，底座板、軌道板及軌下墊板在安裝中均使用標(biāo)準(zhǔn)定位施工，同時(shí)使用水平尺確保橫縱向的絕對(duì)水平。

(3) 鋼軌

原型鋼軌采用60鋼軌，理論質(zhì)量60 kg/m，經(jīng)過(guò)相似比為10換算后，模型鋼軌理論質(zhì)量6 kg/m，模型鋼軌尺寸根據(jù)原型鋼軌尺寸經(jīng)過(guò)相似比進(jìn)行縮尺，模型鋼軌頂部為弧形，模型鋼軌間距取14.35 cm，模型鋼軌及安裝好的鋼軌見(jiàn)圖4。鋼軌安裝完畢使用水平尺等校驗(yàn)以滿足水平及尺寸等實(shí)驗(yàn)要求。

(4) 列車(chē)

列車(chē)模型采用標(biāo)準(zhǔn)CRH380BL型動(dòng)車(chē)組，原型動(dòng)車(chē)組車(chē)廂尺寸(寬度×高度)為3.26 m×3.89 m，車(chē)廂長(zhǎng)為24.825 m，軸重為16 t。本次試驗(yàn)采用的幾何相似比為10，考慮到模型制作的方便及材料的相似條件，整體模型列車(chē)采用頂部開(kāi)孔長(zhǎng)方體，列車(chē)底板材料采用鋼材，板厚10 mm，車(chē)體兩邊壁采用鋼材，壁厚為10 mm，模型車(chē)廂尺寸(寬×高×長(zhǎng))分別為0.32 m×0.39 m×2.50 m。兩個(gè)原型轉(zhuǎn)向架的中心距離為17.375 m，考慮到實(shí)際試驗(yàn)工況，模型輪對(duì)軸距取1.74 m。同一原型轉(zhuǎn)向架下輪軸軸距為2.5 m，模型轉(zhuǎn)向架軸距為0.25 m，見(jiàn)圖5。鋼材密度為7.85×103kg/m3，模型車(chē)體質(zhì)量為47.5 kg。原型列車(chē)總重3 800 kN，為8節(jié)車(chē)廂，因此原型列車(chē)單節(jié)車(chē)廂重475 kN，具體情況見(jiàn)表2。

表2 列車(chē)的相似關(guān)系

圖5 轉(zhuǎn)向架

輪軌接觸關(guān)系是耦合動(dòng)力學(xué)分析的關(guān)鍵，車(chē)輛正常運(yùn)行情況下，輪軌狀態(tài)為動(dòng)態(tài)單點(diǎn)接觸，在地震等極端條件下，輪軌勢(shì)必會(huì)有多點(diǎn)接觸，但對(duì)于多點(diǎn)接觸目前的理論分析或數(shù)值計(jì)算仍存在諸多問(wèn)題。在模型試驗(yàn)中，車(chē)輪及鋼軌等均嚴(yán)格按原型縮尺，包括車(chē)輪踏面、輪緣等精加工而成，保證模型試驗(yàn)中的輪軌接觸與原型一致，能克服數(shù)值模擬中輪軌接觸人為設(shè)定帶來(lái)的問(wèn)題，因此模型試驗(yàn)結(jié)果更能實(shí)際反應(yīng)原型的響應(yīng)。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

圖6 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的的加速度傳感器(A)布置見(jiàn)圖6。模型中加速度傳感器共使用26個(gè)，其中路基中18個(gè)，分層布置，鋼軌上4個(gè)，位于1號(hào)、4號(hào)輪對(duì)左右兩側(cè)下方鋼軌處，轉(zhuǎn)向架上1個(gè)，位于1號(hào)輪對(duì)左上處，車(chē)廂底部3個(gè)，靠近1號(hào)輪對(duì)為A21，靠近4號(hào)輪對(duì)為A23，A22位于車(chē)廂中間，用來(lái)監(jiān)測(cè)模型的動(dòng)力響應(yīng)，采用江蘇東華DH302及日本進(jìn)口型號(hào)。

2.4 地震波輸入及加載方式

為研究高速鐵路動(dòng)車(chē)模型在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，地震波類(lèi)型選用由中國(guó)地震局提供的鄭州黃河大橋橋址區(qū)域地震波(ZHQ)，原波EW向峰值為0.042 3g，Z向峰值為0.028 1g，持時(shí)49.28s，原波按相似比進(jìn)行壓縮處理，處理后地震波持時(shí)為15.58 s，歸一化的時(shí)程曲線及傅里葉譜見(jiàn)圖7。對(duì)模型Y、Z向輸入加速度時(shí)程曲線，Y向輸入加速度峰值為0.05g、0.07g、0.10g、0.12g、0.14g、0.16g、0.18g、0.20g、0.23g、0.25g、0.27g、0.30g、0.35g、0.40g，Z向幅值按Y∶Z向加速度幅值比1∶0.664(來(lái)源原波數(shù)據(jù))換算得到。歸一化的時(shí)程曲線及傅里葉譜見(jiàn)圖7，試驗(yàn)加載工況見(jiàn)表3。每個(gè)地震波工況加載前均對(duì)模型加載時(shí)間長(zhǎng)度為50 s、幅值為0.03g的高斯白噪聲激勵(lì)WN。

圖7 鄭州黃河橋橋址區(qū)域地震波時(shí)程及傅里葉譜

序號(hào)地震波幅值/g水平豎直序號(hào)地震波幅值/g水平豎直1WN-10.0300.03015WN-80.0300.0302ZHQ-10.0500.03316ZHQ-80.2000.1333WN-20.0300.03017WN-90.0300.0304ZHQ-20.0700.04618ZHQ-90.2300.1535WN-30.0300.03019WN-100.0300.0306ZHQ-30.1000.06620ZHQ-100.2500.1667WN-40.0300.03021WN-110.0300.0308ZHQ-40.1200.08022ZHQ-110.2700.1799WN-50.0300.03023WN-120.0300.03010ZHQ-50.1400.09324ZHQ-120.3000.19911WN-60.0300.03025WN-130.0300.03012ZHQ-60.1600.10626ZHQ-130.3500.23213WN-70.0300.03027WN-140.0300.03014ZHQ-70.1800.12028ZHQ-140.4000.266

3 水平向加速度響應(yīng)

3.1 時(shí)程及頻譜特性

圖8 測(cè)點(diǎn)的水平向加速度時(shí)程及其傅里葉譜

現(xiàn)行Q/CR 633——2018《高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定地震后停車(chē)閾值為120 Gal，以0.120g黃河大橋橋址區(qū)域地震波(ZHQ-4)為例，加載ZHQ-4時(shí)模型在時(shí)頻域內(nèi)水平向的加速度響應(yīng),見(jiàn)圖8。測(cè)點(diǎn)A1基底、A4基頂分別位于模型中路基不同高程處，其水平向加速度峰值分別為0.123g、0.225g，加速度沿路基高程向增加82.9%，可見(jiàn)高程能顯著增大路基水平向地震波幅值。而軌道板處(A27)水平向加速度峰值與路基頂部A4相比，略微減小，鋼軌處(A25)水平向加速度峰值為0.251g，較軌道板處峰值增加20.8%，這與試驗(yàn)中列車(chē)輪對(duì)與鋼軌激烈碰撞造成鋼軌響應(yīng)變強(qiáng)現(xiàn)象一致。轉(zhuǎn)向架作為車(chē)體重要結(jié)構(gòu)，安裝了彈簧使之具有良好減震特性，轉(zhuǎn)向架處(A19)水平向加速度峰值為0.193g，相較于鋼軌處減小23.1%，體現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架的減震功能。列車(chē)作為主要承重，其水平向響應(yīng)較強(qiáng)，峰值達(dá)0.253g。

模型測(cè)點(diǎn)的水平向傅里葉譜特征見(jiàn)圖8，圖8中可以看出路基對(duì)30～40 Hz較大的放大效應(yīng)(見(jiàn)測(cè)點(diǎn)A1、A4)。結(jié)構(gòu)部分，鋼軌與軌道板處傅里葉譜特性一致，轉(zhuǎn)向架處對(duì)30～40 Hz頻段削弱明顯，同時(shí)對(duì)1.72 Hz有一定的放大，體現(xiàn)出了轉(zhuǎn)向架的高頻過(guò)濾特性，列車(chē)處5～15 Hz頻段得到放大。

3.2 水平加速度放大特性

定義加速度放大系數(shù)為模型中測(cè)點(diǎn)整個(gè)時(shí)域內(nèi)水平加速度峰值與路基最底部測(cè)點(diǎn)A18水平加速度峰值的比值。不同加載地震波幅值時(shí)輪對(duì)下鋼軌處加速度放大系數(shù)的變化情況見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn)，當(dāng)加載地震波幅值不大于0.14g時(shí)，鋼軌處水平加速度放大系數(shù)隨加載地震波幅值增加而增加，這意味著輪對(duì)與鋼軌之間的水平向相互作用越來(lái)越強(qiáng)；0.14g以后放大系數(shù)起伏不定，但均值仍大于0.14g以前。同時(shí)圖9中可以看出，4號(hào)輪對(duì)左下鋼軌處響應(yīng)最為強(qiáng)烈，0.14g時(shí)放大系數(shù)達(dá)到7.8，1號(hào)輪對(duì)右下鋼軌處響應(yīng)較為平緩，放大系數(shù)維持在1.59～2.45之間，4號(hào)輪對(duì)右下鋼軌與1號(hào)左下鋼軌加速度放大系數(shù)規(guī)律較為一致，以上分析可以看出列車(chē)的振動(dòng)以1號(hào)輪對(duì)右下接觸點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)角處4號(hào)輪對(duì)左下接觸點(diǎn)振動(dòng)最為劇烈，另一對(duì)角處接觸點(diǎn)振動(dòng)基本一致。上述分析也與試驗(yàn)中所觀察到4號(hào)輪對(duì)振動(dòng)最為劇烈這一現(xiàn)象一致。

圖9 輪對(duì)下方鋼軌水平加速度放大系數(shù)隨加載幅值變化

不同加載地震波幅值時(shí)轉(zhuǎn)向架、列車(chē)1孔、列車(chē)2孔和列車(chē)3孔加速度放大系數(shù)的變化規(guī)律見(jiàn)圖10。可見(jiàn)當(dāng)加載地震波幅值小于0.12g時(shí)，轉(zhuǎn)向架與列車(chē)1孔加速度放大系數(shù)相差不大，列車(chē)沿路基縱向加速度放大系數(shù)明顯增大；加載地震波幅值大于0.12g時(shí)，列車(chē)1孔放大系數(shù)明顯大于轉(zhuǎn)向架處，同時(shí)列車(chē)上3處的放大系數(shù)均較大，變化幅度小于0.05g～0.10g時(shí)的列車(chē)放大系數(shù)。以上分析可以看出列車(chē)的加速度放大規(guī)律與輪對(duì)鋼軌下的加速度放大規(guī)律一致，沿路基縱向振動(dòng)變強(qiáng)。

圖10 列車(chē)及轉(zhuǎn)向架水平加速度放大系數(shù)隨加載幅值變化

4 豎直向加速度響應(yīng)

4.1 時(shí)程及頻譜特性

圖11 測(cè)點(diǎn)的豎向加速度時(shí)程及其傅里葉譜

同3.1節(jié)中，以0.120g黃河大橋橋址區(qū)域地震波(ZHQ-4)為例，模型ZHQ-4時(shí)模型在時(shí)頻域內(nèi)豎直向的加速度響應(yīng)見(jiàn)圖11。由圖11可見(jiàn)，路基對(duì)豎向加速度呈現(xiàn)出略微的放大作用，路基頂部測(cè)點(diǎn)A4豎向加速度峰值(0.124g)較底部測(cè)點(diǎn)A1豎向加速度峰值(0.115g)增大7.8%，軌道板處豎向峰值為0.118g，略微減小，而鋼軌處由于輪對(duì)與鋼軌的相互作用，豎向加速度峰值增至0.419g，較軌道板處增大約255%，地震波傳至轉(zhuǎn)向架時(shí)，轉(zhuǎn)向架處的豎向加速度峰值增至0.637g，可見(jiàn)豎向轉(zhuǎn)向架響應(yīng)強(qiáng)烈，列車(chē)上A21測(cè)點(diǎn)豎向加速度峰值減小為0.587g，減小幅度約7.8%，可見(jiàn)轉(zhuǎn)向架豎向減震不明顯。

由圖11可知，豎向傅里葉頻譜特征顯示，路基及軌道板豎向加速度頻譜變化不大，鋼軌處對(duì)20～23 Hz頻段有略微放大，豎向地震波傳至轉(zhuǎn)向架時(shí)，30～40 Hz頻段在轉(zhuǎn)向架處得到明顯增加，列車(chē)處30～40 Hz頻段傅里葉幅值減小。

4.2 豎向加速度放大特性

同3.2節(jié)，豎向加速放大系數(shù)為模型中測(cè)點(diǎn)整個(gè)時(shí)域內(nèi)豎向加速度峰值與路基最底部測(cè)點(diǎn)A18豎向加速度峰值的比值。不同加載地震波幅值時(shí)輪對(duì)下鋼軌處豎向加速度放大系數(shù)的變化情況見(jiàn)圖12，可見(jiàn)當(dāng)加載地震波幅值不大于0.14g時(shí)，鋼軌處豎向加速度放大規(guī)律與水平加速度放大規(guī)律一致，豎向加速度放大隨加載地震波幅值增加而增加，0.14g以后放大系數(shù)起伏不定，4號(hào)輪對(duì)左下鋼軌響應(yīng)最強(qiáng)，0.14g時(shí)放大系數(shù)達(dá)14.1，1號(hào)輪對(duì)右與1號(hào)輪對(duì)左加速度響應(yīng)規(guī)律一致，但總體上右側(cè)下鋼軌放大系數(shù)大于左側(cè)下鋼軌，4號(hào)輪對(duì)右下鋼軌響應(yīng)最弱，加載幅值小于0.3g時(shí)，放大系數(shù)維持在1.09～1.86之間，0.35g和0.4g時(shí)放大系數(shù)增大至4.43、4.56，但仍弱于其他輪對(duì)下鋼軌響應(yīng)。

圖12 輪對(duì)下方鋼軌豎向加速度放大系數(shù)隨加載幅值變化

不同加載地震波幅值時(shí)轉(zhuǎn)向架、列車(chē)1孔、列車(chē)2孔和列車(chē)3孔豎向加速度放大系數(shù)的變化規(guī)律見(jiàn)圖13，可見(jiàn)其豎向加速度變化規(guī)律與水平向差別較大，當(dāng)加載地震波幅值小于0.12g時(shí)，列車(chē)1孔和列車(chē)2孔放大系數(shù)基本一致，小于列車(chē)3孔的放大系數(shù)，轉(zhuǎn)向架的放大系數(shù)最大；當(dāng)加載地震波幅值大于0.12g時(shí)，列車(chē)中部2孔響應(yīng)最弱，列車(chē)3孔響應(yīng)強(qiáng)于列車(chē)1孔，轉(zhuǎn)向架響應(yīng)最強(qiáng)。同時(shí)對(duì)比水平與豎向加速度響應(yīng)，可知豎向響應(yīng)明顯強(qiáng)于水平向。

圖13 列車(chē)及轉(zhuǎn)向架豎向加速度放大系數(shù)隨加載幅值變化

5 現(xiàn)行停車(chē)閾值(120 Gal)時(shí)脫軌分析

現(xiàn)行高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)中地震停車(chē)值為120 Gal，為分析該工況下模型可能的脫軌情況，試驗(yàn)時(shí)中測(cè)試了各輪對(duì)的位移響應(yīng)，其相對(duì)路基頂部的相對(duì)位移峰值及殘余位移見(jiàn)表4，由表中數(shù)據(jù)可以看出，120 Gal工況下輪對(duì)側(cè)向位移峰值明顯小于鋼軌的側(cè)向?qū)挾龋虞d工況結(jié)束后無(wú)殘余位移，可見(jiàn)此工況下列車(chē)不會(huì)脫軌，這說(shuō)明現(xiàn)行停車(chē)閾值設(shè)置安全。

同時(shí)應(yīng)該注意到，根據(jù)第4節(jié)分析可以看到，列車(chē)-CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)非常復(fù)雜，同一節(jié)車(chē)廂不同位置在不同幅值地震波作用下響應(yīng)存在差別，雖然現(xiàn)行停車(chē)閾值安全，但列車(chē)的水平向加速度放大系數(shù)甚至達(dá)到4，豎向放大系數(shù)達(dá)到9，對(duì)于列車(chē)安全仍有很大的潛在危險(xiǎn)。

表4 輪對(duì)位移峰值及殘余位移

6 結(jié)論

本文基于中國(guó)高速鐵路地震預(yù)警尚缺乏抗震方面試驗(yàn)研究這一背景，特開(kāi)展首臺(tái)國(guó)內(nèi)高速鐵路大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，文章詳細(xì)的介紹了試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭熊壍赖装?、CRTSⅡ型板式軌道板、鋼軌扣件、鋼軌及列車(chē)的設(shè)計(jì)制作過(guò)程，并以中國(guó)地震局提供的鄭州黃河大橋橋址地震波為激勵(lì)，研究了模型在該地震波作用下的加速度動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 在現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定地震后停車(chē)閾值為120 Gal，模型加載0.12g地震波時(shí)，路基高程能顯著增大水平向地震波幅值，但豎向加速度峰值變化較??；鋼軌水平向加速度峰值較軌道板處增幅大于豎向加速度峰值增幅，鋼軌與輪對(duì)相互作用豎向響應(yīng)明顯強(qiáng)于水平向。由輪對(duì)位移可知，此工況下列車(chē)不會(huì)脫軌，現(xiàn)行停車(chē)閾值設(shè)置安全。

(2) 轉(zhuǎn)向架水平向減震效果明顯，轉(zhuǎn)向架豎向加速度增加，列車(chē)水平向響應(yīng)較強(qiáng)，加速度大于轉(zhuǎn)向架，列車(chē)豎向響應(yīng)與轉(zhuǎn)向架接近，轉(zhuǎn)向架水平減震效果強(qiáng)于豎向，但豎向響應(yīng)更強(qiáng)。

(3) 水平加速度傅里葉譜分析顯示路基對(duì)30～40 Hz較大的放大效應(yīng)，轉(zhuǎn)向架處30～40 Hz頻段削弱明顯；豎向加速度傅里葉譜分析顯示路基及軌道板豎向加速度頻譜變化不大，轉(zhuǎn)向架處30～40 Hz頻段增加明顯。

(4) 當(dāng)加載地震波幅值不大于0.14g時(shí)，鋼軌處水平及豎向加速度放大系數(shù)隨加載地震波幅值增加而增加，不同輪對(duì)響應(yīng)差別大，0.14g以后放大系數(shù)起伏不定，但均值仍大于0.14g以前，水平向4號(hào)輪對(duì)右下鋼軌與1號(hào)左下鋼軌加速度放大系數(shù)規(guī)律較為一致，豎向1號(hào)輪對(duì)右與1號(hào)輪對(duì)左加速度響應(yīng)規(guī)律一致，但總體上右側(cè)下鋼軌放大系數(shù)大于左側(cè)下鋼軌，4號(hào)輪對(duì)右下鋼軌響應(yīng)最弱。

(5) 列車(chē)的水平加速度放大規(guī)律與輪對(duì)鋼軌下的加速度放大規(guī)律一致，沿路基縱向振動(dòng)變強(qiáng)；豎向在加載地震波幅值小于0.12g時(shí)，轉(zhuǎn)向架的放大系數(shù)最大，列車(chē)3孔放大系數(shù)大于列車(chē)其他位置；當(dāng)加載地震波幅值大于0.12g時(shí)，列車(chē)中部2孔響應(yīng)弱與列車(chē)其他位置，轉(zhuǎn)向架響應(yīng)最強(qiáng)。水平與豎向加速度響應(yīng)對(duì)比可知豎向響應(yīng)明顯強(qiáng)于水平向。

(6) 現(xiàn)行停車(chē)閾值下列車(chē)雖不會(huì)脫軌，但列車(chē)水平向及豎向加速度放大系數(shù)很大，仍有較大潛在危險(xiǎn)，路基對(duì)于地震波具有一定放大效應(yīng)，可考慮鋼軌隔震措施，同時(shí)對(duì)于列車(chē)需考慮更進(jìn)一步的減震設(shè)計(jì)。