基于耦合系统动力学仿真的高速铁路地震监测预警阈值研究

摘要

近年来，我国高速铁路迅速发展，运营里程也在不断增长。同时，我国是一个多地震国家，当地震发生时，行驶的列车由于地震激扰会造成列车脱轨事故，造成人员伤亡，因此要尽快建立地震预警系统，使铁路运输的安全得到更加有效的保障，而地震预警系统中报警阈值设定的合理与否，直接关系到预警的效果和系统的可靠性。
　　本文首先对国内外已有的高速铁路地震预警阈值的现状进行了介绍，然后结合国内外的发展现状和我国高速铁路对地震预警系统的实际需求，对我国高速铁路预警系统的报警阈值，列车紧急控车原则等问题进行了分析，为运营列车的地震预警系统设计提供理论依据。针对高速铁路地震监测预警阈值相关问题进行了如下研究:
　　(1)为了研究地震时列车的运行安全性，利用有限元软件建立了车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学模型，无震条件下的计算结果与联调联试实测结果吻合良好，验证了模型的可靠性，并对整个桥梁进行了模态分析，获得了桥梁的频率和振型。
　　介绍了作为系统内部激励源的轨道不平顺和外部激励的四条典型地震波。在总结分析列车走行安全评价指标的基础上，对地震作用下车辆-轨道-桥梁耦合系统进行了大量计算，得出了以下结论。
　　地震作用下的车辆-轨道-桥梁系统的各项动力响应较无震时有明显的增大，其中桥梁跨中的横向位移和横向加速度、车辆的轮轨横向力等响应增大尤为明显;地震作用下系统各项动力响应总体趋势上随着列车速度的提高而增大，车速提高使系统的动力相互作用加剧，相比无震情况下车速对系统的影响更加显著;其中列车以400km/h运行时，轮轨横向力超出安全限值，地震荷载会降低列车的走行安全性。
　　无地震作用时桥梁的动力响应整体随车速提高有增大的趋势，但相对于地震作用来说，车速对桥梁动力响应的影响较小。因此，桥梁的动力响应主要取决于地震力的大小。
　　墩高对地震响应的影响比较显著，随着墩高的增加，桥梁自振频率减小，周期变大，容易和地震的低频振动形成共振作用;桥梁跨中横向振动加速度和横向位移随着墩高增加而增大，原因是桥梁横向刚度会随着墩高的增加而降低，地震波传到桥梁结构上的能量很大程度上释放到桥梁位移上，造成了位移的增大。梁跨中垂向位移和垂向加速度随墩高增加，整体变化幅度较小。脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力指标总体趋势是增大的，降低了列车走行安全性，其中当墩高取12m时，脱轨系数、轮重减载率指标均超出限值。
　　(2)建立了车辆-轨道-路基耦合系统动力学模型，无震条件下的计算结果与联调联试实测结果吻合良好，验证了模型的可靠性，可用于地震作用下系统的动力响应分析。对地震作用下车辆-轨道-路基系统进行了大量计算，得出了以下结论。
　　在无震条件下，列车以不同速度通过典型路基区段时，车辆-轨道-路基系统各项动力响应峰值均在限值内，说明路基能够满足安全行车要求;总体趋势上，随着列车运行速度的增加，车辆-轨道-路基系统的各项动力响应均不同程度的增大。在150km/h-250km/h速度级时，基床表层垂向加速度变化比较平缓，随着速度增加，基床表层垂向加速度开始急剧增加。地震作用下，车辆-轨道-路基系统各项动力响应随着列车运行速度的提高而增加的趋势比无地震作用下的变化趋势更加明显，且与无地震时的规律有较大的差别，主要是由于地震激励和轨道不平顺激扰复合作用引起，加剧了系统间动力相互作用。在0.04g地震动强度激励下，列车以400km/h运行时，脱轨系数超出规定限值，影响列车运行安全。
　　(3)建立了车辆-轨道-桥梁-接触网支柱（含腕臂）耦合动力学模型和车辆-轨道-桥梁-声屏障模型，分别分析了不同地震动强度和不同频谱特性地震激励下的系统各项动力响应。
　　对比分析了无车和有车工况下的接触网支柱（含腕臂）的各项动力响应，有车工况下的各项动力响应更大，主要是由于地震激励加剧了列车和桥面之间的相互作用力，并最终传递到接触网支柱，因此选择有车工况作为确定阈值的依据。有车工况下的接触网支柱（含腕臂）的各项动力响应总体上随着地震动强度的增大而增大，在设定的0.16g的El Centro波激励下，接触网支柱（含腕臂）的变形峰值出现在腕臂位置，达到147.2mm，超出限值，但应力未超限;在设定的0.2g的El Centro波激励下，接触网支柱（含腕臂）动变形和应力均超限值。采用不同频谱特性的地震波进行激励，接触网支柱（含腕臂）的动变形和应力也不尽相同，其中天津波激励下的动力响应相对于其他几种波更加显著，但在设定的0.08g的地震动强度激励下，动变形和应力均在规定限值内。
　　针对结构强度的许用应力指标、接触网支柱（含腕臂）的动变形量、建筑限界而言，在相同地震作用下，接触网支柱（含腕臂）变形相对而言最容易超限，也是影响列车运行安全的控制指标。
　　对比分析了无车和有车工况下的声屏障的各项动力响应，有车工况下的声屏障动力响应比无车工况下的动力响应更大。3.15m高度声屏障的动力响应峰值相对2.15m高度声屏障的动力响应峰值更大，主要是由于较高结构的放大作用造成的。
　　在高速铁路地震监测预警阈值分析时，应考虑不利工况，选择有车工况下3.15m高声屏障进行动力响应分析。
　　声屏障的动力响应随着地震动强度的增大而增大，在设定的0.16g的El Centro波激励下，声屏障的动变形未发生侵限，且离建筑限界还有较大空间，应力也未超限，不影响列车运行安全;在设定的0.2g的El Centro波激励下的声屏障的最大应力达到389.2MPa，超出许用应力，可能会造成声屏障的倒伏或者断裂，从而影响列车运行安全;采用不同频谱特性的典型地震波进行激励，声屏障的动变形和应力均不尽相同，其中在天津波激励下的动变形和应力相对于其它几种波更加显著，但在设定的0.08g的天津波激励下，动变形在规定限值内，未发生侵限，且离建筑限界还有较大空间，应力也未超出许用应力。针对结构强度的许用应力指标、建筑限界而言，在同等地震动强度下，声屏障的应力更容易超限。
　　(4)采用同一种地震波对各系统进行激励，分析了地震动强度与列车动力响应的关系。车速一定时，系统的各项动力响应指标总体趋势上随着地震动强度增大而增大，车辆、桥梁、路基、接触网支柱、声屏障等的振动越剧烈，车辆的运行安全性降低。
　　(5)分别采用四种典型地震波对各系统进行地震动力响应分析，总结了地震动频谱特性与列车动力响应的关系。地震动强度一定时，采用不同频谱特性的地震波对同一系统进行激励，系统的各项动力响应指标也不尽相同，由于地震波具有的复杂性，以及丰富的频率成分，当地震波的卓越周期与桥梁或者路基的固有周期接近或者一致时，系统的动力响应就要放大，从而降低列车的运行安全性。
　　(6)分别用四种典型地震波对各系统进行激励，并依据列车运行安全性评价指标、接触网受流性能评价指标、结构强度以及建筑限界等评价指标，分别求出了不同强度的四条典型地震波激励下所允许的列车运行安全速度限值。
　　根据上述各系统求出的列车运行安全速度限值和地震动强度限值，研究制定了高速铁路地震监测预警阈值。从偏安全的角度出发，当列车速度达到350km/h时，报警阈值建议取为40Gal，当列车速度为150km/h时，报警阈值建议取为80Gal，当地震动强度达到120gal时，接触网断电。
　　根据不同的报警阈值，制定了相应的紧急处置原则，总共设3个控车等级，并且根据不同的控车等级采取不同的控车措施。当低等级的报警发出后，在很短的时间内，地震动强度继续增大以致报警等级提高，则自动采取更高等级相对应的控车措施，代替低级别报警的控车措施。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 日本高速铁路地震监测预警研究现状

1．2．2 台湾高速铁路地震监测预警研究现状

1．2．3 法国高速铁路地震监测预警研究现状

1．2．3 德国高速铁路地震监测预警研究现状

1．2．4 中国高速铁路地震监测预警研究现状

1．4 中国高铁沿线地震烈度统计分析

1．5 本文的主要研究内容

2 地震作用下车辆-轨道-桥梁(路基)耦合系统动力学模型建立

2．1 CAE软件平台选取

2．2 有限元模型的求解方法

2．2．1 有限元软件中的刚体模型

2．2．2 显式算法与隐式算法

2．2．3 显式算法适用问题的主要类型

2．2．4 数值解法及时间增量的控制

2．3 车辆-轨道-桥梁(路基)耦合系统动力学模型

2．3．1 车辆模型

2．3．2 轮轨接触模型

2．3．3 轨道-桥梁相互作用模型

2．3．4 轨道-路基相互作用模型

2．3．5 轨道不平顺

2．3．6 地震激励

2．4 试验验证

2．4．1 试验内容

2．4．2 试验方法

2．4．3 仿真及试验结果对比验证

2．5 小结

3 地震作用下车辆-轨道-桥梁耦合系统动力特性分析

3．1 桥梁自振特性分析

3．2 无震时车辆-轨道-桥梁动力响应分析

3．3 地震作用下车速对车辆-轨道-桥梁动力响应影响

3．4 地震作用下墩高对车辆-轨道-桥梁动力响应影响

3．5 小结

4 地震作用下车辆-轨道-路基耦合系统动力特性分析

4．1 车辆-轨道-路基动力学性能的评判标准

4．2 无震时车辆-轨道-路基动力响应分析

4．3 地震作用下车速对车辆-轨道-路基动力影响

4．4 小结

5 地震作用下高速铁路接触网支柱(含腕臂)和声屏障动力特性分析

5．1 接触网支柱和声屏障自振特性分析

5．2 高速铁路接触网受流性能评价及建筑限界标准

5．3 地震作用下接触网支柱(含腕臂)的动力响应分析

5．4 地震作用下声屏障的动力响应分析

5．5 小结

6 地震作用下车辆运行安全性分析及报警阈值确定

6．1 列车运行安全评价指标

6．2 不同地震强度激励

6．2．1 车辆-轨道-桥梁系统

6．2．2 车辆-轨道-路基系统

6．2．3 车辆-轨道-桥梁-接触网支柱(含腕臂)系统

6．3．3 车辆-轨道-桥梁-声屏障系统

6．3 不同频谱特性地震激励

6．3．1 车辆-轨道-桥梁系统

6．3．2 车辆-轨道-路基系统

6．3．3 车辆-轨道-桥梁-接触网支柱(含腕臂)系统

6．3．3 车辆-轨道-桥梁-声屏障系统

6．4 地震时列车安全评估及报警阈值确定

6．4．1 车辆-轨道-桥梁系统

6．4．2 车辆-轨道-路基系统

6．4．3 车辆-轨道-桥梁-接触网支柱(含腕臂)系统

6．4．4 车辆-轨道-桥梁-声屏障系统

6．4．5 报警阈值确定

6．5 地震报警紧急处置规则

6．6 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录1 作者简历及科研成果清单

附录2 学位论文数据集页