基于耦合系統(tǒng)動力學仿真的高速鐵路地震監(jiān)測預警閾值研究.pdf

1、近年來，我國高速鐵路迅速發(fā)展，運營里程也在不斷增長。同時，我國是一個多地震國家，當?shù)卣鸢l(fā)生時，行駛的列車由于地震激擾會造成列車脫軌事故，造成人員傷亡，因此要盡快建立地震預警系統(tǒng)，使鐵路運輸?shù)陌踩玫礁佑行У谋Ｕ希卣痤A警系統(tǒng)中報警閾值設(shè)定的合理與否，直接關(guān)系到預警的效果和系統(tǒng)的可靠性。
　　本文首先對國內(nèi)外已有的高速鐵路地震預警閾值的現(xiàn)狀進行了介紹，然后結(jié)合國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和我國高速鐵路對地震預警系統(tǒng)的實際需求，對我國高速鐵路

2、預警系統(tǒng)的報警閾值，列車緊急控車原則等問題進行了分析，為運營列車的地震預警系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。針對高速鐵路地震監(jiān)測預警閾值相關(guān)問題進行了如下研究:
　　(1)為了研究地震時列車的運行安全性，利用有限元軟件建立了車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)動力學模型，無震條件下的計算結(jié)果與聯(lián)調(diào)聯(lián)試實測結(jié)果吻合良好，驗證了模型的可靠性，并對整個橋梁進行了模態(tài)分析，獲得了橋梁的頻率和振型。
　　介紹了作為系統(tǒng)內(nèi)部激勵源的軌道不平順和外部激勵的四條典

3、型地震波。在總結(jié)分析列車走行安全評價指標的基礎(chǔ)上，對地震作用下車輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)進行了大量計算，得出了以下結(jié)論。
　　地震作用下的車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的各項動力響應較無震時有明顯的增大，其中橋梁跨中的橫向位移和橫向加速度、車輛的輪軌橫向力等響應增大尤為明顯;地震作用下系統(tǒng)各項動力響應總體趨勢上隨著列車速度的提高而增大，車速提高使系統(tǒng)的動力相互作用加劇，相比無震情況下車速對系統(tǒng)的影響更加顯著;其中列車以400km/h運行時，輪

4、軌橫向力超出安全限值，地震荷載會降低列車的走行安全性。
　　無地震作用時橋梁的動力響應整體隨車速提高有增大的趨勢，但相對于地震作用來說，車速對橋梁動力響應的影響較小。因此，橋梁的動力響應主要取決于地震力的大小。
　　墩高對地震響應的影響比較顯著，隨著墩高的增加，橋梁自振頻率減小，周期變大，容易和地震的低頻振動形成共振作用;橋梁跨中橫向振動加速度和橫向位移隨著墩高增加而增大，原因是橋梁橫向剛度會隨著墩高的增加而降低，地震波傳到

5、橋梁結(jié)構(gòu)上的能量很大程度上釋放到橋梁位移上，造成了位移的增大。梁跨中垂向位移和垂向加速度隨墩高增加，整體變化幅度較小。脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力指標總體趨勢是增大的，降低了列車走行安全性，其中當墩高取12m時，脫軌系數(shù)、輪重減載率指標均超出限值。
　　(2)建立了車輛-軌道-路基耦合系統(tǒng)動力學模型，無震條件下的計算結(jié)果與聯(lián)調(diào)聯(lián)試實測結(jié)果吻合良好，驗證了模型的可靠性，可用于地震作用下系統(tǒng)的動力響應分析。對地震作用下車輛-軌道-

6、路基系統(tǒng)進行了大量計算，得出了以下結(jié)論。
　　在無震條件下，列車以不同速度通過典型路基區(qū)段時，車輛-軌道-路基系統(tǒng)各項動力響應峰值均在限值內(nèi)，說明路基能夠滿足安全行車要求;總體趨勢上，隨著列車運行速度的增加，車輛-軌道-路基系統(tǒng)的各項動力響應均不同程度的增大。在150km/h-250km/h速度級時，基床表層垂向加速度變化比較平緩，隨著速度增加，基床表層垂向加速度開始急劇增加。地震作用下，車輛-軌道-路基系統(tǒng)各項動力響應隨著列車運

7、行速度的提高而增加的趨勢比無地震作用下的變化趨勢更加明顯，且與無地震時的規(guī)律有較大的差別，主要是由于地震激勵和軌道不平順激擾復合作用引起，加劇了系統(tǒng)間動力相互作用。在0.04g地震動強度激勵下，列車以400km/h運行時，脫軌系數(shù)超出規(guī)定限值，影響列車運行安全。
　　(3)建立了車輛-軌道-橋梁-接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）耦合動力學模型和車輛-軌道-橋梁-聲屏障模型，分別分析了不同地震動強度和不同頻譜特性地震激勵下的系統(tǒng)各項動力響應。<

8、br>　　對比分析了無車和有車工況下的接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的各項動力響應，有車工況下的各項動力響應更大，主要是由于地震激勵加劇了列車和橋面之間的相互作用力，并最終傳遞到接觸網(wǎng)支柱，因此選擇有車工況作為確定閾值的依據(jù)。有車工況下的接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的各項動力響應總體上隨著地震動強度的增大而增大，在設(shè)定的0.16g的El Centro波激勵下，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的變形峰值出現(xiàn)在腕臂位置，達到147.2mm，超出限值，但應力未超限;在設(shè)定

9、的0.2g的El Centro波激勵下，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）動變形和應力均超限值。采用不同頻譜特性的地震波進行激勵，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的動變形和應力也不盡相同，其中天津波激勵下的動力響應相對于其他幾種波更加顯著，但在設(shè)定的0.08g的地震動強度激勵下，動變形和應力均在規(guī)定限值內(nèi)。
　　針對結(jié)構(gòu)強度的許用應力指標、接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）的動變形量、建筑限界而言，在相同地震作用下，接觸網(wǎng)支柱（含腕臂）變形相對而言最容易超限，也是影響列

10、車運行安全的控制指標。
　　對比分析了無車和有車工況下的聲屏障的各項動力響應，有車工況下的聲屏障動力響應比無車工況下的動力響應更大。3.15m高度聲屏障的動力響應峰值相對2.15m高度聲屏障的動力響應峰值更大，主要是由于較高結(jié)構(gòu)的放大作用造成的。
　　在高速鐵路地震監(jiān)測預警閾值分析時，應考慮不利工況，選擇有車工況下3.15m高聲屏障進行動力響應分析。
　　聲屏障的動力響應隨著地震動強度的增大而增大，在設(shè)定的0.16g的

11、El Centro波激勵下，聲屏障的動變形未發(fā)生侵限，且離建筑限界還有較大空間，應力也未超限，不影響列車運行安全;在設(shè)定的0.2g的El Centro波激勵下的聲屏障的最大應力達到389.2MPa，超出許用應力，可能會造成聲屏障的倒伏或者斷裂，從而影響列車運行安全;采用不同頻譜特性的典型地震波進行激勵，聲屏障的動變形和應力均不盡相同，其中在天津波激勵下的動變形和應力相對于其它幾種波更加顯著，但在設(shè)定的0.08g的天津波激勵下，動變形在規(guī)

12、定限值內(nèi)，未發(fā)生侵限，且離建筑限界還有較大空間，應力也未超出許用應力。針對結(jié)構(gòu)強度的許用應力指標、建筑限界而言，在同等地震動強度下，聲屏障的應力更容易超限。
　　(4)采用同一種地震波對各系統(tǒng)進行激勵，分析了地震動強度與列車動力響應的關(guān)系。車速一定時，系統(tǒng)的各項動力響應指標總體趨勢上隨著地震動強度增大而增大，車輛、橋梁、路基、接觸網(wǎng)支柱、聲屏障等的振動越劇烈，車輛的運行安全性降低。
　　(5)分別采用四種典型地震波對各系統(tǒng)進

13、行地震動力響應分析，總結(jié)了地震動頻譜特性與列車動力響應的關(guān)系。地震動強度一定時，采用不同頻譜特性的地震波對同一系統(tǒng)進行激勵，系統(tǒng)的各項動力響應指標也不盡相同，由于地震波具有的復雜性，以及豐富的頻率成分，當?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c橋梁或者路基的固有周期接近或者一致時，系統(tǒng)的動力響應就要放大，從而降低列車的運行安全性。
　　(6)分別用四種典型地震波對各系統(tǒng)進行激勵，并依據(jù)列車運行安全性評價指標、接觸網(wǎng)受流性能評價指標、結(jié)構(gòu)強度以及建筑限界

14、等評價指標，分別求出了不同強度的四條典型地震波激勵下所允許的列車運行安全速度限值。
　　根據(jù)上述各系統(tǒng)求出的列車運行安全速度限值和地震動強度限值，研究制定了高速鐵路地震監(jiān)測預警閾值。從偏安全的角度出發(fā)，當列車速度達到350km/h時，報警閾值建議取為40Gal，當列車速度為150km/h時，報警閾值建議取為80Gal，當?shù)卣饎訌姸冗_到120gal時，接觸網(wǎng)斷電。
　　根據(jù)不同的報警閾值，制定了相應的緊急處置原則，總共設(shè)3個控