魏 峰， 張志方， 高 亮(. 北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 00044； . 中國鐵路總公司 科技管理部， 北京 00084)

大量地震歷史資料表明，我國的地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，50%以上的土地面積位于Ⅶ度以上的地震高烈度區(qū)，而“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)也有近萬公里穿越高地震烈度區(qū)域[1-2]。截至目前，關于地震作用下高速列車走行安全性問題，國內外的專家學者已經開展大量的研究[3-10]，取得了豐碩的研究成果，但主要集中在不同數(shù)值軟件的仿真計算方面，缺少室內試驗及現(xiàn)場實測的驗證。20世紀80年代后，國內外在研制地震模擬振動臺、改善振動臺試驗技術方面有了較大的進步和發(fā)展，通過開展振動臺試驗能夠直觀、定量地分析模型的抗震性能。對于高聳的建筑結構，在單振動臺上可以實現(xiàn)建筑工程的振動臺試驗研究；但是對于具有線狀、多支承、結構部件尺度差異大等特點的高速鐵路車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)，單振動臺系統(tǒng)較難模擬復雜的橋梁-軌道線狀結構及其邊界條件等關鍵物理特征。而具有多個振動臺的臺陣系統(tǒng)可以克服上述不足，成為重要的試驗研究手段。

本文采用數(shù)值分析和振動臺臺陣試驗相結合的分析方法，在充分考慮地震、車輛、軌道、橋梁結構復雜性的基礎上，針對CRH380BL動車組，鋪設60 kg/m鋼軌及CRTSⅡ型板式無砟軌道，墩高20 m、跨度32 m雙線混凝土簡支箱梁的典型橋梁，設計完成了車輛-軌道-橋梁縮尺模型的振動臺臺陣試驗，并依據(jù)相似理論，得到了不同峰值加速度地震波下列車的脫軌情況。其后利用數(shù)值分析方法建立了高速鐵路列車-軌道-橋梁空間耦合動力學模型，結合試驗結果對仿真模型的可靠性進行了驗證。在此基礎上，計算得到不同地震強度等級下安全性指標及舒適度指標對應的列車運行速度臨界值，并探討了現(xiàn)行規(guī)范中的地震預警速度閾值選取問題，為我國高速鐵路地震預警系統(tǒng)警報閾值的合理設置提供參考。

1 試驗概況

本次試驗采用雙臺陣進行，每個振動臺均為三向6個自由度，臺面的尺寸為3 m×6 m，最大載重為350 kN，可以施加的最大加速度為±1.0g，工作頻率為0.1～50 Hz，見圖1。試驗以模型長度L、質量密度M、時間T為控制量，按Buckingham π定理導出了各物理量之間的相似關系，彈性模量的相似常數(shù)為10-1，抗彎剛度的相似常數(shù)為10-5，抗壓剛度的相似常數(shù)為10-3，頻率的相似常數(shù)為100.5，作用力的相似常數(shù)為10-3，時間的相似常數(shù)為10-0.5。

1.1 試驗目的

通過開展列車-軌道-橋梁振動臺試驗，對不同地震強度等級下安全性指標及舒適度指標對應的列車運行速度臨界值進行研究，并探討現(xiàn)行規(guī)范中的地震預警速度閾值選取問題，為我國高速鐵路地震預警系統(tǒng)警報閾值的合理設置提供參考。

1.2 試驗模型設計

在列車-軌道-橋梁振動臺試驗模型中，車輛部分參照CRH380BL動車組的相關參數(shù)進行設計制作。3跨橋梁的跨徑為(3.2+3.2+3.2) m，主梁采用單箱單室箱型截面，在支點加厚截面處采用補加重量的方式模擬，具體情況見表1。值得注意的是在模型制作過程中嚴格考慮了鋼軌及輪對的幾何相似、車體的質量相似和重心位置等關鍵因素，具體模型見圖2。

表1 不同部件的相關參數(shù)

1.3 試驗測點的布置

為能夠充分地研究地震作用下橋梁、車輛的地震響應，本次試驗在橋梁、軌道、車輛的關鍵部位均布設了加速度、位移、應變監(jiān)測點，具體測點布設情況見圖3。同時，采用雙目成像高頻數(shù)字化攝像測量系統(tǒng)，準確記錄列車的脫軌試驗過程，見圖4。

1.4 輪軌力的標定

在試驗過程中，直接測試輪軌作用力存在較大的困難，且有諸多不確定因素的干擾。然而，通過輪軌力的標定可以進行統(tǒng)一考慮。因此，本次試驗在鋼軌的軌底、軌腰部位粘貼應變片，軌底上、下表面各8個，軌腰兩側各4個，8個車輪共計192個應變片。在進行標定前預估地震過程中每個車輪所能夠承受的最大垂向力、水平作用力，以確定標定所用的質量塊，1號輪對左輪標定結果見圖5。隨著加載質量的增加，上、下表面的水平力及垂直力測試結果的變化規(guī)律性較好，上、下表面的應變呈雙折線，而垂直方向的應變則全程具有較好的線性。

1.5 地震動輸入

ALS地震波廣泛被應用于橋梁抗震計算中，本次試驗仍然選用該波作為輸入地震波。為了研究地震強度對車輛安全性的影響，試驗對ALS波進行歸一化，調整其幅值，開展以下工況試驗：0.03g、0.04g、0.045g、0.05g、0.06g、0.07g、0.08g、0.09g、0.11g、0.12g、0.13g、0.15g、0.18g、0.20g、0.23g、0.25g、0.27g，直至脫軌，峰值加速度為0.18g的地震波波形見圖6。對于32 m跨度的簡支梁橋，不考慮行波效應的影響，兩個振動臺臺面施加的地震波一致。

2 高速列車脫軌現(xiàn)象

地震作用下高速列車的脫軌主要集中反應在輪軌作用力的變化、輪軌間的相對位移等方面。本文將重點分析地震作用下上述因素的變化，以確定高速列車脫軌時的地震峰值加速度。根據(jù)雙目成像高頻數(shù)字化攝像測量系統(tǒng)所拍攝的影像資料和數(shù)據(jù)，得知在0.25g地震波作用下4號輪對與鋼軌已經分離，車輛發(fā)生脫軌,見圖7。由于4號輪對左右側車輪的應變變化情況基本一致，因此僅給出了4號輪對左輪的水平、垂向應變時程結果，見圖8，4號輪對左側及右側的位移時程結果見圖9。

由圖8、圖9可知，在峰值加速度為0.25g的ALS地震波作用下，高速列車在11.21 s時4號輪對左側鋼軌上水平、豎向應變響應發(fā)生較大突變，形成了一個明顯的脈沖信號，輪軌作用力突變?yōu)?，輪軌間產生了25 mm的永久位移。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于在11.21 s時，輪對與鋼軌之間發(fā)生了脫離，與此同時垂直于橋梁走向方向地震波致使輪對與鋼軌之間產生錯位，造成車輪下落時砸在軌道上，鋼軌產生了一定的豎向永久應變，車輪與鋼軌間也產生了25 mm的相對位移。此外，試驗發(fā)現(xiàn)4號輪對下方鋼軌外側軌腰處的應變片被砸壞。綜上所述可知，對于靜止狀態(tài)下的車體，峰值加速度為0.25g的ALS地震波作用下車輛已經發(fā)生脫軌，測試也到此為止。為保證試驗結果的可靠性，研究中采用上述加載工況先后開展了4次重復性試驗，試驗結果一致。

3 地震作用下高速列車運行安全性分析

以上采用模型試驗研究了靜止車輛在多跨簡支梁橋上的脫軌現(xiàn)象。為進一步研究地震作用下高速列車運行安全性，本文建立與試驗模型相同的數(shù)值仿真模型，施加與試驗相同的地震波、邊界條件、材料參數(shù)等，利用圖3中的測點A10、A4及軌道板上的測點A17、車廂底部測點A14作為對比監(jiān)測點，用于驗證數(shù)值分析方法的正確性。在此基礎上，利用上述仿真分析方法計算典型高速鐵路多跨簡支梁橋原型，施加不同峰值加速度的ALS地震波，16輛編組的高速列車以140、160、180、200、220、250、275、300、325、350 km/h的速度運行，軌道譜采用實測的不平順譜[11-13]。

3.1 數(shù)值仿真有效性驗證

為了驗證數(shù)值仿真分析的有效性，本部分對比分析了峰值加速度為90 gal的ALS地震波作用下A10、A4、A17、A14測點的加速度相應，具體結果見表2。

表2 振動臺試驗與數(shù)值仿真分析結果對比

由表2可見，A10、A4、A17、A144點水平加速度和豎向加速度的最大誤差均小于10.0%，其中水平加速度的最大誤差為-5.80%，豎向加速度的最大誤差為4.65%。因此，數(shù)值仿真分析結果和振動臺試驗結果基本一致，說明本文數(shù)值仿真分析的可靠性和準確性。

3.2 地震作用下高速列車安全運行速度限值

綜合整理分析前期研究成果和國內外資料[14-16]，研究不同加速度峰值地震波作用下列車運行的速度閾值，以行車安全性指標(輪重減載率≤0.6、脫軌系數(shù)≤0.8、橫向輪軌力≤(10+P0/3))、舒適度指標(斯佩林指標≤2.50，車體豎向振動加速度≤ 0.13g、橫向振動加速度≤ 0.10g)為評判標準，結果見表3。

表3 不同加速度峰值地震波作用下列車運行的速度閾值 km/h

由表3可見，隨著輸入地震動峰值加速度的增大，舒適度指標最先超出限值，車輛的行車安全性指標次之，脫軌系數(shù)和舒適度指標控制的速度閾值逐漸減小，輪重減載率和橫向輪軌力控制的速度閾值基本不變；在輸入地震波的峰值加速度≤50 gal時，車輛運行速度臨界值取決于列車舒適度指標，速度閾值為160 km/h；當輸入地震波的峰值加速度達到60 gal時，速度閾值降為140 km/h；當輸入地震波的峰值加速度達到80 gal時，速度閾值降至140 km/h以下，斯佩林指標控制的速度閾值由350 km/h驟降為180 km/h，出于安全考慮建議此時采取緊急停車措施。

4 相關標準規(guī)范探討

文獻[17]中規(guī)定，鐵路沿線地震峰值為0.1g(100 gal，7度區(qū))及其以上地區(qū)設置地震監(jiān)測系統(tǒng)，需要重點考慮地震對高速列車運行安全的影響，根據(jù)表3中所述的研究成果可知，在峰值加速度為100 gal的地震波作用下，僅考慮列車的安全性指標可知，列車允許的最高速度為250 km/h，而這是高速鐵路線路界定的臨界速度，充分說明了設計規(guī)范中參數(shù)制定的合理性。此外，對于7度以下區(qū)域，規(guī)范中并未做出規(guī)定，表3則能夠反映出6度(50 gal)區(qū)域，列車的最大允許運行速度為275 km/h。

文獻[18]中規(guī)定的地震預警系統(tǒng)的警報速度閾值主要考慮了限速160 km/h和緊急停車兩種情況，本文計算結果表明，當列車按照最大常用制動限速160 km/h運行時，允許的最大峰值加速度為50 gal，可將Ⅰ級警報閾值偏安全地確定為40 gal；當?shù)卣饎臃逯导铀俣仍黾又?0 gal時，舒適度指標控制的速度閾值降至140 km/h以下，可將Ⅱ級警報閾值確定為80 gal，同時出于安全考慮，建議采取緊急停車措施。

5 結論

本文根據(jù)相似理論設計了車輛-軌道-橋梁大型振動臺臺陣1∶10縮尺模型，采用模型試驗方法研究了不同地震強度下3跨簡支梁橋上靜止車輛的脫軌現(xiàn)象，進一步利用模型試驗結果驗證了數(shù)值仿真分析模型的準確性。根據(jù)建立的高速鐵路多跨簡支梁橋-軌道-CRH380BL高速列車空間耦合動力學模型，以行車安全性及舒適度指標作為評判標準，通過仿真分析得到了不同加速度峰值地震波作用下列車運行的速度閾值。值得注意的是，本次模型試驗僅考慮了簡支梁橋上處于靜止狀態(tài)的單節(jié)車體試驗工況，今后將逐步開展多節(jié)車體處于運動狀態(tài)下振動臺臺陣試驗，為進一步完善我國高速鐵路地震預警監(jiān)測技術提供支撐。具體研究結論為：

(1) 車輛-軌道-橋梁大型振動臺臺陣試驗結果表明，對簡支梁上處于靜止狀態(tài)下的車輛模型，在地震動峰值加速度0.25g的ALS地震波作用下，車體將會發(fā)生脫軌現(xiàn)象，表現(xiàn)為輪對應變、輪軌間相對位移的瞬時突變。模型試驗結果為驗證地震作用下車輛-軌道-橋梁耦合振動分析模型的準確性提供了依據(jù)。

(2) 對高速鐵路多跨簡支梁橋-軌道-CRH380BL高速列車耦合系統(tǒng)，隨著輸入地震動峰值加速度的增大，舒適度指標最先超出限值，車輛的行車安全性指標次之。從行車安全性指標看，隨輸入地震動峰值加速度增大，脫軌系數(shù)對應的車速閾值有逐漸降低的趨勢，但輪重減載率和橫向輪軌力對車速閾值不敏感；從舒適度指標看，車體垂向加速度指標受輸入地震動峰值加速度的影響較橫向加速度指標更為敏感，也即前者更快地出現(xiàn)明顯降低的車速閾值。

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