列車-軌道-路基耦合振動及地震條件下行車安全性分析.pdf

1、路基是鐵路線路工程中薄弱和不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)。長期以來，列車運(yùn)行條件下路基的動態(tài)沉降變形及服役安全性，一直受到工程界的廣泛關(guān)注。隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，高速度和高密度行車引發(fā)的輪軌系統(tǒng)的動力作用、行車的安全性和舒適性以及線路結(jié)構(gòu)的運(yùn)用安全性問題會越來越突出，而這在我國尚缺乏深入的理論研究。因此，列車、軌道、路基動態(tài)相互作用問題已成為高速鐵路工程中的亟需開展的力學(xué)問題之一。
　　此外，中國地震活動頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，是一個(gè)地震

2、災(zāi)害嚴(yán)重的國家。隨著大規(guī)模建設(shè)高速鐵路，并且許多高速鐵路穿越多個(gè)地震帶，地震發(fā)生時(shí)地震波會通過線路結(jié)構(gòu)的傳遞而威脅行車安全。因此，地震條件下的行車安全性問題也是亟需開展的研究課題之一。
　　本文針對列車-軌道-路基耦合振動問題和地震條件下行車安全性問題，開展了如下研究工作：
　　1.對國內(nèi)外在列車-軌道-路基動力相互作用問題和地震條件下鐵路行車安全性問題方面的研究工作進(jìn)行了簡要的回顧，同時(shí)指出了值得借鑒之處和有待進(jìn)一步研究的

3、問題。
　　2.以四軸機(jī)車車輛為例建立了車輛動力學(xué)模型，并參考相關(guān)文獻(xiàn)給出了車輛各部件的運(yùn)動方程。建立了有砟軌道、單元板式軌道、框架型板式軌道、縱連板式軌道、雙塊式無砟軌道、浮置板軌道和梯子形軌道的動力學(xué)模型和運(yùn)動方程。
　　3.建立了路基的三維空間動力學(xué)模型，建模時(shí)采用動態(tài)子結(jié)構(gòu)法，先根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其拆分成各子結(jié)構(gòu)，然后對各子結(jié)構(gòu)的三維粘彈性體偏微分動力學(xué)方程采用Galerkin法進(jìn)行離散化，接著利用位移協(xié)調(diào)條件，對

4、各子結(jié)構(gòu)的方程進(jìn)行總裝，最后得到了整體結(jié)構(gòu)關(guān)于廣義模態(tài)坐標(biāo)的常微分振動方程。
　　4.介紹了輪軌相互作用和軌道-路基相互作用原理、列車-軌道-路基的數(shù)值求解方法和列車-軌道-路基動力學(xué)仿真軟件TTSDYNA，其中對輪軌相互作用原理進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，包括輪軌接觸坐標(biāo)系的定義及坐標(biāo)變換、輪軌靜態(tài)單點(diǎn)和兩點(diǎn)接觸幾何關(guān)系、輪軌動態(tài)單點(diǎn)和兩點(diǎn)接觸幾何關(guān)系、輪軌法向力和蠕滑力的計(jì)算。
　　5.在不考慮路基參振的情況下，運(yùn)用商業(yè)軟件對車

5、輛.軌道耦合動力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，基于輪軌動態(tài)單點(diǎn)接觸的車輛-軌道耦合動力學(xué)模型主要與SIMPACK軟件驗(yàn)證?；谳嗆墑討B(tài)兩點(diǎn)接觸的車輛-軌道耦合動力學(xué)模型主要與ADAMS/Rail軟件驗(yàn)證。
　　6.對列車-有砟軌道-路基耦合系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行分析，并結(jié)合秦沈客運(yùn)專線的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。對列車-無砟軌道-路基耦合系統(tǒng)的振動特性進(jìn)行分析，并與京津城際鐵路實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。
　　7.分析了有砟軌道與路基結(jié)構(gòu)參數(shù)、無

6、砟軌道與路基結(jié)構(gòu)參數(shù)對車軌路耦合系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響規(guī)律，并對兩種軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行了對比。
　　8.以縱連板式無砟軌道為例建立了地震下的列車-軌道-路基動力相互作用模型。接著，對直接法、擬靜力位移法和大質(zhì)量法這三種常用的地震動輸入方法進(jìn)行了介紹，對列車-軌道-路基動力相互作用模型中地震動輸入方法的適用性進(jìn)行了分析。然后，基于直接法求解了列車-軌道-路基系統(tǒng)的地震動響應(yīng)，并與相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了直接法的正確性和可

7、靠性。此外，在相同計(jì)算條件下，基于大質(zhì)量法進(jìn)行了地震動響應(yīng)分析并與直接法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，最后分析了軌道不平順的影響。
　　9.開展了地震條件下的行車安全性分析。首先，對分析中選取的典型輸入地震波及規(guī)格化方法進(jìn)行了介紹。接著，運(yùn)用得到驗(yàn)證的地震作用下的列車-軌道-路基耦合動力學(xué)模型，分析了地震動強(qiáng)度和行車速度對地震動響應(yīng)的影響規(guī)律，得出了列車的運(yùn)行安全域。然后，開展了曲線線路條件下的地震動力響應(yīng)分析。最后對地震時(shí)列車脫軌的主要

8、形式進(jìn)行了概述，并給出了地震中的兩點(diǎn)接觸和脫軌算例。
　　10.敘述了單自由度隔震系統(tǒng)的隔震原理，同時(shí)借鑒日本建筑結(jié)構(gòu)的橫向隔震思路，參考實(shí)際工程中所使用的在垂向有良好隔振效果的浮置板軌道結(jié)構(gòu)，提出了三種板長的隔震軌道結(jié)構(gòu)型式。接著，基于簡化車輛.軌道模型對比分析了不同軌道結(jié)構(gòu)的地震動傳遞率，還用簡化模型分析了隔震軌道隔震器橫向剛度和軌道板長度對地震動傳遞率的影響。其次，運(yùn)用地震作用下完整的列車-軌道-路基耦合動力學(xué)空間模型，對不