劉　智

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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高速鐵路車-橋耦合體系地震響應(yīng)分析及報(bào)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(shí)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(jià)和地震報(bào)警閾值研究有待于進(jìn)一步加以推進(jìn)。

我國高鐵地震報(bào)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(bào)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(jià)； ④確定合理的高鐵列車地震報(bào)警閾值。

本文主要針對以上幾個(gè)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(jì)算輪軌法向力， 基于Kalker線性理論計(jì)算輪軌蠕滑力， 再通過Hedrick-Elkinss 理論對計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算得到的車-橋耦合體系橋面加速度時(shí)程作為輸入， 同時(shí)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(jì)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(jià)。 結(jié)果表明， 基于中國軌道譜計(jì)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(jì)算得到的結(jié)果差異較大， 采用德國譜計(jì)算得到列車安全性評價(jià)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(bào)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(jì)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(bào)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(bào)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(bào)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