基础沉降及地震作用对桥梁行驶磁悬浮列车的安全性影响

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1、基础沉降及地震作用对桥梁行驶磁悬浮列车的安全性影响摘要：本文对基础沉降和地震作用下多跨桥梁行驶磁悬浮列车的安全性进行了研究。在三维非线性有限元分析中考虑导轨不平顺、恒定增益调整的比例积分（PI）控制、磁悬浮导轨与桥梁的相互作用。通过数值分析得出基础沉降下列车速度对悬浮间隙稍有影响，但是地震作用下列车速度对间隙基本无影响。当初始横向和竖向电磁力的比值（）增大时，磁悬浮能抵抗更大的地震作用。对于间隙为lcm、承受均匀力的情况，当时，有限元分析结果表明两墩的极限竖向沉降差值可达3cm，横极限向挠度差值可

2、达2.2cm。地震荷载作用下，当时，间隙为10cm，最大横向加速度可达410。通过对以上情况分析，可得出电磁悬浮系统（EMS）可以抵抗基础沉降，电动悬浮系统（EDS）可以同时抵抗基础沉降和地震作用。关键词：地震动；有限单兀法；基础沉降；磁悬浮列车；比例积分（PI）控制；导轨不平顺1.引言由于磁悬浮列车具有耗能低、噪音小，与传统车轮列车相比安全性更高等优点，所以它的使用越来越广泛。此外，不难相信磁悬浮列车的速度最终可达到500。对于磁悬浮列车，桥梁结构是最合适的，但是会发生基础沉降和地震作用，所以磁

3、悬浮列车、导轨和桥梁之间的相互作用成为从安全性考虑最重要的问题。可以采用有限单元法对它的动力性能进行模拟分析。例如，Song和Fujino（2008年）建立了三维模型对磁悬浮列车和桥梁的相互作用进行了研究，在研究中采用多种改进的有限元模型模拟结构构件。Yang和yau（2011年）采用交互迭代的方法分析磁悬浮列车在高架导轨上行驶时的动力响应。Duan等人（2011年）对磁悬浮交通平台的大行程线形运动进行了发展，并采用有限元分析对电磁解耦空间分布的设计方法进行了优化。」u等人（2012年）采用有限元

4、方法对磁悬浮列车-桥梁-土间的相互作用进行了全方位模拟，在研宄中，采用行驶在Timoshenko梁上的列车分析结果对有限元模型进行了验证。已经有两个研宄对相关的地震响应进行了分析。Yan（2010年）研究证实，当受控制的磁悬浮列车行驶的悬浮导轨由于水平地震作用发生摇动时，出于安全原因，设置的混合控制器将在规定的稳定范围内对悬浮间隙进行调整，并且能够降低列车的加速度相应，提高行驶质量。Pan等人（2010年）通过基于水平震动平台的地震波传播仿真，对磁悬浮系统的动力响应和磁悬浮力进行了研宄。他们得出结

5、论横向稳定和悬浮性能与共振频率5Hz下的激励幅值和激励频率相关。很多研宄对基础沉降和导轨不平顺进行了研宄。Yau（2009年）研宄表明悬浮间隙的增大可能会增强列车的响应，但是对于高速行驶的列车，具有很小间隙，一旦在导梁支座处发生地面沉降，列车响应的扩大会很明显。Lee等人（2009年）发现列车间隙虽然不受跨长和导轨结构的阻尼比影响，但是受列车速度、摩阻系数，以及导轨变形率影响特别大。Kong等人（2011年）针对行驶在弹性导轨上的磁悬浮列车的动力特性分析建立了计算模型，模型是考虑导轨不平顺下的五自

6、由度模型。Ren等人（2010年）同时考虑导轨不平顺和磁悬浮列车，采用仿真软件建立数值模型对磁悬浮系统的动力特性进行分析。Shi等人（2007年）建立了动力模型对高速下电磁悬浮列车和导轨的相互作用进行了模拟分析，同时采用这个模型对不平顺因素的作用进行了分析。Zhao和Zhai（2002年）建立了10自由度模型来分析恒定速度下，行驶在三种类型导轨上的磁悬浮列车。同时，研宄也对导轨随机不平顺进行了讨论研宄，在模拟分析列车响应和行车舒适度时将此因素也考虑在内。本文对基础沉降和地震作用下，在多跨简支桥梁上

7、行驶磁悬浮列车的安全性进行了研宄。在非线性有限元中对轨道不平顺、车-桥相互作用以及比例积分（PI）控制进行考虑。通过有限元模拟分析，拟可得出考虑基础沉降和地震作用，磁悬浮列车在桥梁高速行驶的安全性能。2.磁悬浮列车与桥梁相互作用的有限元分析磁悬浮系统可以分成两类：（1）EMS系统：通过带有吸引力的电磁力将列车浮起；（2）电动悬浮系统（EDS）:通过超导材料的排斥力将列车浮起。两种系统的间隙完全不同（EMS系统为lcm，EDS系统为10cm）。本文采用有限元分析模型对两种系统的行驶磁悬浮列车与桥梁相

8、互作用进行了分析。2.1磁悬浮列车控制系统电磁力是电路电流大小和电磁体与导轨距离的函数（Shi等人2007年研究；Bittar和Sales等人1998年研宄）。（1）式中：上标=当前时间；下标=第个磁性车轮，；=常数因子。变量为控制电流，为悬浮间隙高度，计式中：=静力平衡状态下的要求高度；=第个磁性车轮的竖向位移；=第个磁性车轮的整体坐标；=由第个磁性车轮产生的梁挠度；=轨道不行顺。本文采用的不平顺参数由Au等人（2002年）提出，具体数值见表1。在静力平衡状态，公式（1）初始量：