"站桥合一"大跨度客站-列车耦合系统随机振动研究

For large span building-bridge railway staion is key project in high-speed railway network, so the coupled vibration problem of station-train system is crucial. However, most related researchers at home and abroad pay attention to the dynamic response of railway staion under dynamic load rather than the railway station-train coupled system random vibration. For this purpose, it is essential to solve the random vibration of large span building-bridge railway staion-train coupled system during train passing the station at high speed, emergency braking and accelerating out of the station. Firstly, the spatial dynamic model of railway station-train coupled system will be built and the dynamic analysis software will be programmed based on the pseudo excitation method of multiple incoherent non-stationary random vibrations, precise integration algorithm of moving load and parallel computing. Furthermore, the study of coupled vibration relationship of train, track, bridge and building will be carried out, the safety and comfort degree evaluation method based on random vibration response of train and railway station will be studied. In addition, the effective vibration migigation measures will be proposed by reducing triggering factors and cut off propagation of coupled system vibration. At last, the theoretical calculation model will be calibrated and corrected by indoor model tests of railway station-train coupled system and field tests of typical railway station. Research achievements could promote the application and development of large-scale comprehensive high-speed passenger railway station.

作为高速铁路网枢纽工程的"站桥合一"大跨度客站与高速列车耦合振动问题研究至关重要。当前国内外关于车致客站振动研究往往忽略客站、列车之间的动力相互作用。为此，本项目针对"站桥合一"大跨度客站-列车耦合系统，开展列车高速过站、紧急制动以及加速出站过程中的耦合系统随机振动问题开展研究。首先借助有限元方法构建客站-列车耦合系统整体动力学分析模型，结合多点不相干非平稳随机振动的虚拟激励法、移动荷载的精细积分算法和数值仿真并行算法编制耦合系统振动分析软件；随后开展耦合系统随机振动响应分析，提出基于随机振动的客站和列车运行安全性、舒适度评估方法；并从减少耦合振动诱发因素、阻断振动传递路径等方面着手，提出客站-列车耦合系统的有效减振措施；最后，通过客站-列车耦合系统室内模型试验和典型客站现场测试数据，对计算模型进行校验和修正。本项目研究成果预计对我国高速铁路大型综合客站的建设发展起到一定推动作用。

本项目在车-桥耦合振动理论和随机振动理论的基础上，对高速铁路客站在车辆激励下的振动响应进行了系统研究，主要研究成果如下：.(1)在原有分离迭代法的基础上提出了改进的列车-轨道-结构耦合系统迭代计算模型，提高了分离迭代法的积分稳定性；结合耦合时变方法与分离迭代法的优点，提出了列车-轨道-结构耦合系统混合方法，兼顾了动力分析的积分稳定性与计算效率；在混合方法的基础上，建立了列车-轨道-结构耦合系统异步长分析方法，实现了列车-轨道-结构耦合系统动力分析计算效率与计算精度的统一。.(2)基于时域确定性分析方法，建立了车辆-轨道-客站空间耦合振动计算模型；提出了利用有限元软件ANSYS建模并与MATLAB联合的基于多线程并行计算的仿真计算策略；以天津西站为研究对象，分析了单双线工况下、不同车速下及不同扣件刚度下客站的行车动力响应，并进行了室内试验与现场测试，揭示了车辆-轨道-客站空间耦合振动的传递率减规律。.(3)基于频域的随机振动分析方法，建立了车辆-轨道-客站竖向随机振动计算模型；推导了基于虚拟激励法的耦合系统随机振动分析方法；以天津西站为研究对象，对客站在不同行车工况下的车致振动特性进行分析，揭示了车致客站随机振动在客站结构内的传播规律以及车致客站振动随车速的变化规律。.(4)建立了高速列车-轨道-客站纵向耦合动力学模型及模型动力方程；编制了相应的计算软件，并以天津西站为工程实例，研究了不同制动级别下的车致客站的振动特性以及纵向振动在客站内的传播规律。总结了上述研究成果并提出了列车作用下的新型高速铁路客站结构体系设计建议。.项目组成员在国内外高水平期刊和学术会议上已发表学术论文26篇，其中SCI论文7篇，EI论文16篇，CSCD论文3篇；获批国家发明专利3项，实用新型专利11项；获批软件著作权8项；培养研究生9名，其中1名研究生毕业论文获中南大学优秀硕士论文；获湖南省科技进步三等奖1项等。