非一致地震激励下大跨度高速铁路斜拉桥行车安全性研究

摘要

随着高速铁路网的不断延伸和加密,大跨铁路桥梁的建造不可回避。斜拉桥由于跨越能力强、刚度大、造型优美,已成为高速铁路大跨桥梁的首选。此外,斜拉桥由于跨度大,支撑点往往会跨越不同场地,地震动空间变异性的影响十分突出,地震在威胁桥梁安全的同时还会诱发显著的行车安全问题,因此开展非一致地震激励下大跨度斜拉桥的行车安全性研究具有重要意义。本文以某主跨432m的高速铁路大跨钢桁梁斜拉桥为工程背景,采用TTBSAS程序进行仿真计算,研究地震动的几种空间变异性对车桥耦合振动响应的影响,探究非一致地震激励下大跨斜拉桥的行车安全性。主要研究内容和结论如下:(1)基于谱方法理论,功率谱采用Clough-Penzien模型,相干函数模型采用屈铁军模型,利用MATLAB 2018编制程序合成空间多点地震动时程,依托实际工程生成某主跨432m大跨度斜拉桥的各个支承点地震动时程,通过各支承点加速度位移时程对比、地震动反应谱与目标反应谱对比以及失相干损失与经验函数对比,验证了该合成方法的有效性。(2)利用Midas civil 2019建立以某主跨432m大跨度斜拉桥为工程背景的梁格单元全桥模型,为验证模型正确性另外建立板梁组合全桥模型进行对比,通过对比两种模型的成桥状态竖向位移、斜拉索索力、振型特征及频率验证了梁格模型的可靠性,从而利用梁格模型进行下一步分析。对所建立的梁格模型进行自振特性分析,结果表明:该大跨斜拉桥的基频低,周期较长,一阶振型为纵飘,有助于结构的抗震耗能;横向振动振型出现较早表明斜拉桥横向刚度较低;该桥具有明显的三维性和相互耦合作用。(3)以课题组自主开发的列车-轨道-桥梁-地震分析系统程序(TTBSAS)作为计算工具,针对某主跨432m大跨度斜拉桥,设置了十种分析工况,通过大质量法输入合成的多点地震动时程,探讨了地震动空间变异性对耦合系统响应的影响,并对比分析有/无震、地震一致激励和非一致激励对车桥耦合系统动力响应的影响,研究结果表明:随着行波速度的增大,越接近一致激励对列车、桥梁耦合系统的影响,列车的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、车体竖向及横向加速度随着行波速度增大分别降低了34.9%、8.4%、5.7%、12.2%、11.3%。针对本文计算条件,研究列车的行车安全性指标其最不利行波速度为250m/s。随着场地越来越松软,地震作用下车桥系统的响应会急剧增大,对于桥梁和列车的横向响应影响更突出,桥梁横向位移和车体横向加速度最大增幅达到了279%和98.8%。故在针对大跨度结构研究中应该准确的把握结构所处的场地。针对本文计算条件,考虑失相干效应会减小车桥耦合系统各项响应,尤其对车体加速度影响较大,考虑失相干效应,车体竖向、横向加速度分别减少69%和67.2%。非一致地震激励与一致激励相比,对车体加速度影响较大,非一致激励工况下车体竖向加速度和横向加速度比一致激励工况小72%和69%。地震动空间变异特性对车桥耦合系统动力响应的频谱分布有较大影响,且具有一定的复杂性,为正确评估地震动空间变异性对大跨度桥梁车桥耦合振动响应的影响,应采用非一致激励进行地震输入。(4)针对三个列车行车安全性评判指标(脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力)限值,采用TTBSAS程序进行仿真计算,研究地震输入模式(一致激励、非一致激励)对高速列车通过该斜拉桥时行车安全性的影响,并与无震工况进行对比,结果表明:车速是影响大跨高速铁路斜拉桥行车安全性的重要因素。在本文计算条件下,该大跨斜拉桥在无震、一致地震激励、非一致地震激励工况下的安全车速阈值分别为325km/h、225km/h、225km/h。

目录

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 铁路斜拉桥发展及抗震研究综述

1.2.1 铁路斜拉桥的发展

1.2.2 铁路斜拉桥抗震研究综述

1.3 地震作用下车桥耦合振动研究现状

1.4 本文主要研究内容及技术路线图

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

第二章 空间多点地震动模拟及验证

2.1 概述

2.2 地震动空间变异性

2.2.1 失相干效应

2.2.2 行波效应

2.2.3 衰减效应

2.2.4 局部场地效应

2.3 空间多点地震动的合成方法

2.3.1 各点功率谱自谱及互谱

2.3.2 合成平稳地震动时程

2.3.3 合成非平稳地震动时程

2.4 合成算例

2.5 本章小结

第三章 大跨斜拉桥简化建模及动力特征分析

3.1 概述

3.2 工程概况

3.3 有限元建模

3.3.1 梁格模型

3.3.2 板梁组合模型

3.3.3 模型对比验证

3.4 自振特性分析

3.5 本章小结

第四章 地震动空间变异性对大跨斜拉桥车桥耦合振动响应影响研究

4.1 概述

4.2 非一致地震作用下的列车-轨道-桥梁模型

4.2.1 车辆模型

4.2.2 轨道模型

4.2.3 桥梁模型

4.2.4 轮轨关系模型

4.2.5 桥轨关系模型

4.2.6 地震力边界条件

4.3 地震动空间变异性对车桥耦合振动影响研究

4.3.1 行波效应的影响

4.3.2 场地效应的影响

4.3.3 失相干效应的影响

4.4 综合对比

4.4.1 有/无震耦合振动分析

4.4.2 非一致地震激励耦合振动分析

4.5 本章小结

第五章 大跨度斜拉桥行车安全性分析

5.1 概述

5.2 本文脱轨评判指标

5.2.1 脱轨系数

5.2.2 轮重减载率

5.2.3 轮轴横向力

5.3 高速铁路大跨度斜拉桥行车安全性分析

5.3.1 分析方法

5.3.2 响应结果分析

5.3.3 安全车速阈值

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简介、在学期间的研究成果及发表的学术论文