基于梁单元形函数时变性的高铁车桥耦合系统地震响应研究

In order to meet the needs of rapid economic development, the railway departments actively construct the high-speed railway in China. The high-speed railway design parameters are strictly limited, so the number and the length of bridges required are far greater than ordinary railway, which greatly increases the probability of the trains on the bridge when earthquakes occur. In this project, the spatial coupling vibration mechanism of earthquakes, high-speed train and bridge is studied. Vehicle-bridge coupling vibration of high-speed railway under earthquakes is comparatively analyzed by using two different analysis methods. On this basis, the concept of time variability of element interpolation function is proposed, its influence on seismic response of high-speed railway vehicle-bridge coupling vibration system is discussed. The effect of other parameters, including bridge parameters, train parameters, orbits parameters and ground motion characteristics, is studied too. The driving limits on safety and comfortable of high-speed train under different conditions are put forward. The project is intended to clarify vibration mechanism of high-speed railway vehicle-bridge coupling system under earthquakes. It can lay theoretical foundation for rational design of bridge in high-speed railway and ensuring the traffic safety and comfort of high-speed train under different ground motion conditions.

为满足经济迅速发展的需求，我国铁道部门积极开展高速铁路的建设。高速铁路设计参数限制严格，因此线路中所需建造的桥梁数目和长度远远大于普通铁路，“以桥代路”的现象使得地震发生时，列车恰巧运行于桥上的几率大为增加。本项目研究地震、高速列车和桥梁的空间耦合振动机理，采用两种不同的车桥耦合振动分析方法，对地震作用下高速铁路车桥耦合系统的振动响应进行对比分析；在此基础上，提出了梁单元形函数时变性的概念，探讨其对高速铁路车桥耦合系统地震响应的影响；深入开展地震作用下高速铁路车桥耦合振动的研究，对桥梁参数、列车参数、轨道参数和地震动特性等参数的影响进行分析；提出不同地震动条件下高速列车在桥上安全舒适运行的行车限值。本项目旨在阐明地震作用下高速铁路车桥耦合系统的振动机理，为高速铁路桥梁的合理设计以及确保在不同地震动输入下高速列车的安全舒适运行奠定理论基础。

高速铁路因其独特优势在我国得以快速发展，“以桥代路”现象使得研究地震作用下高速铁路桥梁车桥耦合振动课题显得十分必要。本项目基于梁单元形函数时变性研究地震、高速列车和桥梁的空间耦合机理，建立高速列车和高速铁路桥梁的精细化动力分析模型，基于整体法和分离法两种车桥耦合振动分析方法推导地震作用下高速铁路列车—桥梁耦合系统的空间振动方程，研发地震作用下高速铁路列车—桥梁耦合系统的动力仿真分析软件；提出梁单元形函数时变性的概念，推导梁单元形函数时变性在地震作用下高速铁路列车—桥梁耦合系统空间振动方程中的贡献值，从理论上体现其对高速铁路列车—桥梁耦合系统地震响应的影响；探讨梁单元形函数时变性、轨道结构、轨道不平顺速度项、地震动特性等参数对高速铁路列车—桥梁耦合系统地震响应的影响，基于不同地震动条件下的高速铁路车桥耦合系统的车桥动力响应，提出高速列车在不同地震动输入下安全舒适运行的行车限值。研究结果表明：整体法便于计算桥梁的有载频率，分离法适合于跳车分析；梁单元形函数时变性对车桥耦合系统的振动会产生影响，特别是在车速较大的情况下，梁单元形函数时变性对车桥耦合系统振动的影响愈加明显，在高速铁路—桥梁耦合系统的耦合振动分析中，有必要考虑梁单元形函数时变性的影响；地震激励使桥梁和车辆的振动均有不同程度地增强，随着地震动强度的增大，桥梁的动力响应均按照线性规律增长，地震激励下车速也是影响车辆动力响应的重要因素；研发的软件可用于地震作用下高速铁路列车—桥梁耦合系统的动力仿真分析。本项目通过分析两种车桥耦合振动分析方法的优缺点及各自实用条件，为车桥耦合振动分析方法的选择提供思路；提出梁单元形函数时变性的概念，探讨其对高铁车桥耦合系统地震响应的影响，为进一步明确地震作用下车桥耦合系统的振动机理提供理论依据；开展了地震作用下高速铁路车桥耦合振动的仿真分析，研究高速列车运行安全舒适的行车限值问题，具有一定的工程应用价值。