高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究

刘　智

(中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨150080)



高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究

刘智

(中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨150080)

高铁是国民经济大动脉的重要组成部分， 运输业的生力军。 “十二五”规划中将铁路运输安全放在十分重要的位置， 并明确提出“大规模发展具有运能大、 安全舒适、 全天候运输、 环境友好和可持续性等优势的高速铁路”的重要目标。 由于我国地震频发， 地震灾害对我国的高铁网络构成了严重的威胁， 而目前我国高速铁路线路中桥梁所占的比例已经超过了50%， 地震发生时列车运行在桥上的概率增大， 因此， 考虑车-桥耦合作用的高铁列车地震安全性评价和地震报警阈值研究有待于进一步加以推进。

我国高铁地震报警和紧急处置系统的研究和示范工程建设才刚刚起步， 目前系统尚未得到真实地震的检验， 经验积累较少， 所采用的一些技术参数， 如报警阈值等的合理性有待于进一步研究论证， 需要解决的一些关键问题有： ①合理的车-桥耦合模型的构建； ②车-桥耦合体系地震响应的分析； ③基于中国高速铁路轨道谱的高铁列车地震安全性评价； ④确定合理的高铁列车地震报警阈值。

本文主要针对以上几个关键问题开展研究工作， 主要研究内容和成果如下：

(1) 模型研究。 基于现有基础调研资料确定列车模型和桥梁模型具体参数以及车-桥耦合接触关系。 通过弹簧和阻尼器建立桥梁与轨道、 轨道与列车之间的连接， 建立了高铁列车-高架桥耦合有限元模型， 通过车-桥耦合动力特性分析验证模型的合理性。 轮轨接触力基于空间动态轮轨关系求解： 基于非线性赫兹接触理论计算轮轨法向力， 基于Kalker线性理论计算轮轨蠕滑力， 再通过Hedrick-Elkinss 理论对计算结果进行非线性修正。

(2) 车-桥耦合地震响应分析。 选取典型地震动加速度时程作为外部激励， 对车-桥耦合体系地震响应进行分析研究， 得到车-桥耦合体系桥面加速度响应放大系数， 研究地震频谱特性对桥面地震响应的影响规律。 同时建立不考虑高铁列车的等跨单桥模型， 对其进行地震响应分析， 与车-桥耦合模型计算结果进行对比分析。 结果表明， 车-桥耦合模型与单桥模型动力特性和地震响应存在一定的差异， 在高铁桥梁地震响应分析中， 考虑车-桥耦合是必要的。

(3) 高铁列车地震响应分析。 以计算得到的车-桥耦合体系桥面加速度时程作为输入， 同时分别采用中、 德轨道不平顺样本作为内部激励， 基于车-轨耦合动力分析理论， 对高铁列车地震反应进行计算分析， 得到列车的动力响应值， 包括列车的脱轨系数、 轮重减载率、 横向轮轨力等， 并对比规范中该三项指标限值， 对高铁列车地震安全性进行评价。 结果表明， 基于中国轨道谱计算得到的地震作用下列车安全性三项指标值与按照德国谱计算得到的结果差异较大， 采用德国谱计算得到列车安全性评价三项指标值均大于中国谱， 较中国谱偏于保守。

(4) 高铁列车地震报警阈值研究。 选取不同频谱特性的典型地震动记录， 通过调整地震动峰值进行大量计算分析， 基于高铁列车安全性三项指标求解得到不同车速下允许的地震动强度限值曲线， 对全部地震动记录对应的限值曲线进行包络取值， 得到最小包络限值曲线， 对其进行适当简化， 最终给出不同车速下高速铁路列车地震紧急处置系统的报警阈值建议值和简化公式。 研究结果表明， 考虑高速铁路轨道谱， 采用德国谱比中国谱得到的地震报警阈阈值小。 由于德国谱目前在国内应用较为广泛和成熟， 有必要进一步验证中国高速铁路轨道谱的合理性与可行性， 并应用于实际工程。

关键词高速铁路； 车-桥耦合体系； 地震响应分析； 轨道不平顺； 地震报警阈值

(作者电子信箱， 刘智： liuzhi8725@126.com)

中图分类号：P315.9；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.010