地震作用下基于复合隔震体系的高速铁路桥梁行车安全控制研究

Earthquake causes vibration of high-speed railway bridge violently and threaten the running safety of the train on bridge. At present, how to improve the running safety of the train on bridge under seismic excitations is the key scientific problems of this direction. Based on the principle of large scale coupling system and through introducing the composite isolation system, simplifying the mechanical models of lead rubber bearing and viscous damper, and developing the unit module, this project sets up a new coupling vibration model of seismic-train-track-bridge with composite isolation nonlinear boundary. In this model, the train, track, bridge and seismic are considered as a unified system, and the explicit-implicit mixed integral method with variable step size is developed to improve the solving efficiency based on the dynamic characteristic distinction. After that, based on the sensitivity analysis, the control parameters of composite isolation system in coupled system of train-track-bridge are confirmed, and the quantitative influence laws of control parameter to the running safety of trains on bridge under earthquake are reveled. At last, based on the correlation analysis, the empirical formulas of control parameter value with the basic frequency of structure and the characteristic period of ground motion are put forward, and the composite seismic control method apply to the coupled system of rain-track-bridge is put forward. The achievement will make a good reference to the running safety control theory and engineering applications of high-speed railway bridge under seismic excitations.

地震致使高速铁路桥梁剧烈振动并威胁其上列车的行车安全，如何提高地震时桥上列车的行车安全性是目前亟待解决的关键科学问题。本课题基于耦合大系统原理，将列车、轨道、桥梁、地震作为统一系统，在原有地震-列车-轨道-桥梁动力模型的基础上引入复合隔震体系，通过简化铅芯橡胶支座和粘滞阻尼器的力学模型、编制单元模块，建立可考虑复合隔震非线性边界的列车-轨道-桥梁耦合振动分析程序，并基于耦合系统的动力特征分区，开发变步长显式-隐式混合积分算法来提高求解效率；基于灵敏度分析，明确列车-轨道-桥梁动力系统中复合隔震体系的控制参数，揭示各参数对地震时桥上列车行车安全的定量影响规律；基于相关分析，得到复合隔震体系控制参数随桥梁结构主频、场地特征周期变化的经验公式，提出适用于高速铁路列车-轨道-桥梁动力系统的复合减震控制方法。本项目的研究成果可为地震作用下高速铁路桥上列车的行车安全控制理论及工程应用提供科学依据。

偶然发生的地震会使高速铁路桥梁剧烈振动并威胁其上列车的行车安全，如何提高地震时桥上列车的行车安全是目前亟待解决的关键性技术难题。本项目基于列车-轨道-桥梁耦合振动理论，将列车、轨道、桥梁和地震激励作为统一系统，在原有地震-列车-轨道-桥梁耦合振动模型的基础上，嵌入复合隔震体系，建立了时域内考虑隔震非线性边界的列车-轨道-桥梁耦合振动模型，提出了基于几何指标的地震安全性评判方法以及适用于高速铁路列车-轨道-桥梁时变系统的复合减震控制方法，同时弄清了非一致地震输入阻尼项和桩土相互作用对列车-轨道-桥梁耦合系统动力响应的影响规律。研究表明：基于LRB隔震支座和粘滞阻尼器的复合隔震体系可显著提高高速铁路桥上列车的行车安全性，而单独的LRB隔震支座对桥上列车的行车安全有劣化作用；依据车轮抬升量将列车的行车安全性划分为安全、危险和脱轨3种状态较为合理，其限值指标分别为13.8mm、21mm和28mm；阻尼项对相对运动法和大质量法的影响远大于直接求解法和大刚度法，且随质量阻尼系数的增大而增大；不考虑桩土相互作用，会使计算得到的桥梁位移、桥梁加速度、钢轨位移以及列车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力偏小，采用承台底施加等效弹簧的方法，可用于简化模拟桩土相互作用，其计算结果介于考虑和不考虑桩土相互作用之间。本项目的研究成果可为地震作用下高速铁路桥梁的减隔震设计以及行车安全性分析提供基础理论和技术支持。