摘要: 本文是国家自然科学基金项目“地震作用下高速铁路桥梁的动力响应及行车安全控制研究”的研究成果。高速铁路为满足线路平顺性和稳定性的要求，可能建造连续几公里甚至几十公里的高架桥，使得地震发生时列车在桥上的几率很大。地震作用下桥梁结构的动力... 展开 本文是国家自然科学基金项目“地震作用下高速铁路桥梁的动力响应及行车安全控制研究”的研究成果。高速铁路为满足线路平顺性和稳定性的要求，可能建造连续几公里甚至几十公里的高架桥，使得地震发生时列车在桥上的几率很大。地震作用下桥梁结构的动力响应及其对桥上车辆运行安全性的影响是一项重要的研究课题。本文在总结和吸取前人研究成果的基础上，针对高速铁路列车-桥梁系统在地震作用下的耦合振动进行研究，在对国内外高速铁路车桥系统动力相互作用问题及桥梁抗震问题的发展历史和研究现状进行综述的基础上，建立了车-桥系统动力相互作用的地震反应分析模型，编制了相应的分析软件，较为全面地研究了地震对高速铁路车桥系统的影响，总结了各国对高速铁路车桥系统安全性的评价标准，并对地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度问题进行了初步探讨。主要研究内容包括： 1.总结了实用的高速铁路桥梁地震反应分析模型建立方法。从工程上实用的桥梁抗震角度出发，论述了建立高速铁路桥梁抗震分析模型的具体处理方法，即利用目前的大型通用结构有限元程序通过对桥梁结构各组成部件(包括桥梁结构构件本身、支座、伸缩缝以及基础支承边界等)进行合理的单元划分，可以快速地建立正确的桥梁结构计算分析模型。此外，还推导了长大跨度桥梁考虑多点激励和行波效应的结构运动微分方程。 2.建立了较完善的车辆动力分析模型。根据我国中高速客车的车辆结构形式，以具有独立转向架的二系悬挂四轴客车为主要研究对象，建立了由车体、转向架构架和轮对等刚体组成的车辆空间振动计算分析模型，共具有31个自由度，其中车体和前、后转向架各考虑横移、侧滚、摇头、沉浮、点头5个自由度，每个轮对考虑横移、侧滚、摇头、沉浮4个自由度。 3.基于轮轨几何关系和轮轨接触的蠕滑理论建立了动态轮轨关系模型。详细介绍了求解具有任意轮轨型面配合的空间轮轨接触几何关系的方法以及根据轮轨接触几何参数确定轮轨接触力的方法。采用空间动态轮轨关系模型，通过计算某一时刻左、右轮轨最小垂向间距的方法确定出左、右轮轨接触点坐标，从而确定接触几何参数，然后采用非线性赫兹接触理论计算轮轨法向力；采用Kalker线性理论求解小蠕滑率情形下的蠕滑力，并用Shen-Hedrick-Elkins理论进行非线性修正使之也适用于大蠕滑率的情形。该方法能考虑轮轨弹性变形和轮轨瞬时脱离的情形，可以更好地反映高速铁路上车辆高速运行时的实际状态。 4.首次建立了考虑多点激励与行波效应的车-桥地震反应分析模型。综合运用车辆动力学理论、轮轨相互作用原理和桥梁抗震分析理论，从统一大系统角度出发，将桥梁在地震作用下的运动方程和车辆振动方程通过桥梁子系统与车辆子系统间的非线性轮轨接触关系联系起来，建立了可以考虑多点激励和行波效应影响的车-桥耦合振动系统地震反应分析模型，地震荷载通过影响矩阵作用于桥跨结构，通过动态轮轨接触关系作用到车辆上。并编制了相应的车-桥耦合系统地震反应分析程序，通过与实测数据的对比，验证了所建立的车-桥耦合系统振动分析模型和计算程序的正确性。 5.地震作用下车辆运行安全性评价标准研究。对倾覆脱轨、爬轨、跳轨、掉道脱轨等不同的脱轨形式以及影响车辆脱轨的主要因素进行了论述，较为系统地分析了高速铁路关于列车运行安全的评定指标，并对日本关于地震作用下车辆运行安全性标准及其简化评估指标的确定方法进行了详细的介绍。 6.研究了地震作用下高速铁路连续梁桥的动力响应及列车走行安全性。以拟建京沪高速铁路线上的某连续梁桥为例，研究高速列车在不同地震激励下、以不同车速通过连续梁桥时的车辆与桥梁的动力响应。通过将有、无地震发生时车桥系统的动力响应进行对比，分析了地震对高速铁路车桥系统动力响应特性的影响，系统地探讨了地震波行波效应、列车运行速度、地震动强度及地震波频谱特性等对中高速车辆走行性能的影响，总结了影响地震时高速列车运行安全性的主要因素。 7.初步探讨了地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度问题。依据目前在我国高速铁路研究中普遍采用的列车安全性评定指标，初步探讨了地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度问题，得到了相应于各类场地土不同地震动强度激励下的安全临界速度限值，可供实际工程设计时参考。 收起