地震作用下高速列车—轨道—桥梁耦合振动及行车安全性分析

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1、ClassifiedIndex：U24；U21；0327U．D．C：625；629SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationHIGH．SPEEDTRAIN．TRACK．BRIDGECOUPLEDVIBRATIONUNDERSEISMICEXCITATIONSANDRUNNINGSAFETYGrade：2008Candidate：Ⅵ峻NGShaolinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorDegreeSpeciality：VehicleEngineerin

2、gSupervisor：Prof．ZhaiWanmingSep，2012西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保密Ej9，使用本授权书。(请在以上方框内打“、／”)学位论文作者签名：王乡拭指导老师签日期：丸侈年／月侈日日期：

3、2秒厂多年／月∥缁西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1．论文基于桥梁抗震和铁路大系统动力学的研究思想，详细地考虑轮轨相互作用关系和桥轨相互作用关系，建立了地震作用下的高速列车一轨道一桥梁耦合振动模型(论文第2章)。2．对比分析了一致地震激励下行车速度、

4、轨道不平顺激励、地震强度、地震幅频特性、桥梁结构类型等多个因素对耦合系统动力响应的影响规律，并重点从轮轨相互作用关系和桥轨相互作用关系的角度解释了这些变化规律(论文第4章)。3．针对非一致地震激励下，高速列车一轨道一桥梁耦合系统的动力响应规律进行研究，讨论了地震作用下的行车安全性问题，尝试给出了列车高速过桥的安全限值(论文第5、6章)。学位论文作者签名：王乡椽日期：7lD留年／月∥日西南交通大学博士研究生学位论文第1页摘要桥梁是铁路的重要基础设施之一，也是铁路建设的关键技术。随着中国高速铁路的大规模发展，桥梁在高速铁路中所占比例大幅度提

5、高，地震发生时，高速列车运行于桥上的几率增大。高速行车条件下，车轨桥系统的动力作用突出，加上中国地震活动的频度高、强度大、震源浅、分布广，车辆在地震作用下发生桥上脱轨和倾覆的可能性大大增加，地震对桥上高速列车的行车安全性产生了严重的威胁。因此，为保证高速铁路的安全运营，建立和完善高速铁路地震预警系统，开展地震作用下的高速列车一轨道一桥梁系统耦合振动研究和行车安全性评价是十分必要的。本文从桥梁抗震和铁路大系统动力学的角度出发，结合列车一轨道一桥梁动力学联合攻关研究组的相关研究成果，建立了地震作用下高速列车一轨道一桥梁耦合振动分析模型，编制

6、了计算分析软件，并将其应用于地震作用下高速列车一轨道一桥梁相互作用系统的动力响应特征、影响因素和影响规律分析以及列车过桥安全性分析和评价等方面，为高速铁路桥梁的抗震设计及运营列车的地震预警系统设计提供理论依据。首先依据列车一轨道一桥梁耦合系统动力学建模思路与原则，分别建立了机车车辆、轨道结构及桥梁结构的振动分析模型，并详细给出各子系统的振动微分方程。车辆针对四轴高速车辆建模，共包含35个自由度，详细考虑车辆的非线性环节；轨道分别针对双块式无砟轨道、单元板式无砟轨道和有砟轨道进行建模；桥梁结构采用有限元方法建模，包含空间梁单元、板壳单元等

7、常用单元类型。在耦合振动模型中，依据地震作用下列车一轨道一桥梁动态相互作用原理，考虑完善的轮轨相互作用关系桥轨相互作用关系，将车辆、轨道和桥梁子系统耦合起来，将地震荷载视为系统的外部激励，采用加速度输入模式将地震荷载直接施加于桥墩底部的支承点处，并通过影响矩阵作用于桥跨结构，然后借助于轮轨相互作用关系和桥轨相互作用关系影响整个耦合系统的振动。然后，针对地震作用下高速列车一轨道一桥梁系统相互作用的特点，选用显隐式混合积分的模式，编制了地震作用下的车轨桥计算分析软件VTBDYNA，并利用商用软件SIMPACK对VTBDYNA进行了分析对比，

8、借助于京津城际高速铁路和武广高速铁路现场试验结果验证了计算软件的可靠性和有效性。在此基础上，详细描述了一致地震作用下，高速列车一轨道一桥梁相互作用系统的动力响应特征，对比分析了行车速度、轨道不平顺激励、地震