第一章 緒 論

1.1 選題背景
我國高鐵建設(shè)起步晚、發(fā)展快。自 1990 年鐵道部在《京滬高速鐵路線路方案構(gòu)想報告》中提出正式提出興建高速鐵路以來，經(jīng)過 20 多年的飛速發(fā)展，截止2014 年底，中國鐵路運營里程突破 11.2 萬公里，其中高速鐵路運營里程達(dá)到 1.6萬公里，超過世界高鐵運營里程的一半，居世界第一位，高鐵成為鐵路客運的主力軍[22][56]。作為我國運輸大動脈，保障客運、貨運列車的安全運營是需要完成的重要任務(wù)。十二五規(guī)劃中提出“大規(guī)模發(fā)展具有運能大、安全舒適、全天候運輸、環(huán)境友好和可持續(xù)性等優(yōu)勢的高速鐵路”的重要目標(biāo)和指示[23][74]。歷史地震表明，鐵路橋梁、軌道等的破壞，會嚴(yán)重影響鐵路運營安全，尤其是對于高鐵列車，即使不是較強烈地震有時也會使高速運行的列車脫軌或傾覆，造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。

1995 年 1 月 17 日，日本阪神地震對鐵路系統(tǒng)造成了嚴(yán)重災(zāi)害，地震引起鐵路路基塌陷、橋梁破壞、列車出軌（圖 1-1），致使阪神地區(qū)的鐵路運輸中斷[72]。

作為高速鐵路重要的基礎(chǔ)設(shè)施和承載體，橋梁在高速鐵路路段中所占的比例相當(dāng)大[45]。表 1-2 給出了世界部分發(fā)達(dá)國家高速鐵路線路和橋梁里程概況[73]，表 1-3給出了我國部分建成和在建客運專線橋梁所占線路長的比例，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，我國橋梁累積長度占路線總長的比例已經(jīng)超過了 50%，部分線路橋梁占線路的比例甚至超過了 80%，例如京津城際鐵路、廣深港客專、杭甬客專、盤營客專等。
由于我國鐵路橋梁占線路比例大且地震頻發(fā)，列車行駛于橋段的時間比例相應(yīng)較大，對于高速行駛的高鐵列車，即使是較小震級的地震都會對軌道、橋梁產(chǎn)生沖擊，使列車產(chǎn)生滾擺振動，進而可能造成高鐵列車脫軌，引發(fā)重大安全事故[5]。隨著高鐵技術(shù)的推廣和發(fā)展，行駛列車速度大幅度提高，地震對列車運行安全性的威脅也大大增加，高架橋段地震行車安全性以及列車緊急處置成為亟待解決的問題。
我國是地震多發(fā)國家， 50 %的國土位于Ⅶ度以上的地震高烈度區(qū)，覆蓋了 23個省會城市以及 2/3 的百萬人口以上的城市。地震活動跨度大，主要分布在東南沿海、西南、西北、華北地區(qū)以及臺灣地區(qū)的 23 條地震帶上[73]（圖 1-8）。20 世紀(jì)全球 7 級以上陸上地震 35%發(fā)生在我國。我國已建的京滬、京津、石太、盤營、鄭西、合寧、福廈、甬溫、津秦等高速鐵路均位于或者靠近地震活躍地帶，這些地區(qū)的地震基本烈度在Ⅶ度以上，其地震動峰值加速度達(dá)到了 0.1g。目前我國的高鐵雖尚未經(jīng)歷地震的考驗，但是潛在的威脅時刻存在，高鐵列車行車安全面臨重大挑戰(zhàn)。

世界眾多高鐵國家均十分重視高速運行列車的地震監(jiān)控技術(shù)[39]。在日本、法國、德國和我國的臺灣地區(qū)等高速鐵路較為發(fā)達(dá)的國家，均針對鐵路運輸建立了地震報警和緊急處置系統(tǒng)[26]，以防止或減輕地震對鐵路運輸安全的危害。日本等國家和地區(qū)的地震預(yù)警實踐證明，地震報警和緊急處置系統(tǒng)具有明顯的減災(zāi)效果。以日本 311 大地震為例，地震縱波到達(dá)鐵路干線前海岸地震計測儀就監(jiān)測到縱波（P波）信號，并速傳到鐵道沿線地震計測儀，鐵道沿線地震計測儀作出判斷后，自動將停電的信號發(fā)送到變電所，變電所立即切斷新干線的供電系統(tǒng)，從而使得高速行駛的列車迅速減速，并啟動緊急剎車系統(tǒng)使列車停車，從而避免更大災(zāi)害事故的發(fā)生。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析
1.2.1 車-橋耦合模型研究
國外關(guān)于地震作用下車橋系統(tǒng)耦合動力問題的研究開展較早[102][118][119]，取得了一定的成果，但是車橋耦合體系復(fù)雜的耦合關(guān)系和地震動力學(xué)問題并未得到充分的解決。從建立列車模型以及車橋耦合體系到地震作用下模型復(fù)雜的動力分析均處于探索和逐步深入研究的階段。早在 1825 年，研究人員就開始了對車輛與橋梁結(jié)構(gòu)相互作用機理的研究，其中最基本也是最重要的環(huán)節(jié)便是建立合理、可靠的列車-橋梁相互作用模型[5][15][98][103][104][105]。在計算機沒有廣泛應(yīng)用以前，由于橋梁結(jié)構(gòu)和所受荷載的復(fù)雜性，最初的研究中把車輛荷載簡化為移動的荷載進行計算分析，如圖 1-9 所示，從最開始不考慮車體質(zhì)量，將其簡化為移動常力（圖 1-9a）或者簡諧荷載（圖 1-9b）逐步演變?yōu)榭紤]車橋質(zhì)量，將車體簡化為移動慣性力（圖 1-9c）或者移動的簧上質(zhì)量（圖 1-9d）。
在國外，日本、美國、法國等國的研究學(xué)者對車橋耦合振動問題，包括模型建立和耦合振動求解方法開展了廣泛的研究。20 世紀(jì) 70 年代，日本學(xué)者松浦章夫以具有二系彈簧懸掛裝置的四軸車輛模型作為研究對象，建立了 10 自由度的車輛模型，并基于能量方法推導(dǎo)了車-橋體系運動方程，研究了軌道不平順、行車速度、車輛的軸重等參數(shù)對橋梁沖擊系數(shù)的影響[40][41]；1978 年 Dhar 將列車模擬成由車體、轉(zhuǎn)向架和輪對組成，相互之間用彈簧連接，輪對和鋼軌之間始終密貼接觸，分析了車體豎向位移反應(yīng)及車-橋系統(tǒng)的豎向振動問題[28]。1982 年美國學(xué)者 MH.Bhatti 考慮車體彈簧的幾何和懸掛非線性，建立了 21 個自由度二系彈簧的豎向和橫向的車輛模型，分別考慮豎向和橫向軌道不平順作為內(nèi)部激勵，根據(jù)輪-軌相互作用建立了車輛與橋梁的運動方程，對 53.34 米跨度的簡支桁架橋的空間振動響應(yīng)行了研究[92]；20 世紀(jì) 90 年代，比利時的 Bogaert 建立了多剛體車輛模型，對車-橋耦合體系的瞬態(tài)加速度響應(yīng)進行了分析[93]，與實測結(jié)果進行了對比研究，驗證了模型的可靠性。

我國許多高校和科研院所的學(xué)者也對車-橋耦合模型問題開展了大量的研究工作。張楠采用理論分析方法研究了車-橋耦合動力相互作用，并通過現(xiàn)場試驗對理論模型進行了驗證。研究中以中華之星列車為車輛模型載體，根據(jù)理論方法模擬了列車高速通過 24m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋的全過程，計算車-橋動力響應(yīng)，并通過與現(xiàn)場實測結(jié)果的對比分析驗證了模型[13][78]。曾慶元教授及其研究團隊對車橋耦合體系開展了系統(tǒng)地研究，建立了 21 自由度機車模型，采用桁段單元對桁架橋進行離散，建立了列車過橋時的車-橋時變系統(tǒng)總勢能的表達(dá)式，由勢能駐值原理導(dǎo)出了車輛動力方程�；谠撈胶夥匠滩捎脤崪y蛇行波為激勵源，求解了車-橋系統(tǒng)的動力響應(yīng)[28]。西南交大蔡成標(biāo)研究員結(jié)合工程實際，建立了高速列車-軌道-橋梁豎向耦合振動模型[2]，分別選取了板式和長軌枕埋入式無砟軌道兩種軌道形式進行研究，對不同車速下耦合系統(tǒng)的振動響應(yīng)進行了計算分析。翟婉明基于日本新干線建立了車-軌-橋耦合系統(tǒng)模型，研究了耦合體系的動力響應(yīng)[79]。北京交通大學(xué)的夏禾教授建立了車-梁-墩系統(tǒng)的動力分析模型，系統(tǒng)研究了風(fēng)和地震作用下的車-橋體系響應(yīng)[68][71]。

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第二章 車-橋耦合體系地震響應(yīng)分析方法

2.1 引言
作為一個地震多發(fā)的國家，為保證我國高鐵列車行車安全性，開展地震作用下的高鐵列車-橋梁耦合體系動力響應(yīng)研究十分重要和迫切。高鐵列車-橋梁耦合體系地震響應(yīng)分析主要研究內(nèi)容包括幾個方面：
（1）車-橋耦合體系激擾。列車橋上運行時，與橋梁構(gòu)成一個振動系統(tǒng)，引起該系統(tǒng)振動的激勵源包括兩個部分，即系統(tǒng)外部激勵和系統(tǒng)自激激勵。其中外部激勵包括風(fēng)荷載、地震荷載、列車自重加載等；內(nèi)部自激激勵包括軌道不平順、車輛蛇形運動等。（2）車-橋耦合體系分析模型。建立合理的高速列車-高架橋復(fù)合模型是整個研究的基礎(chǔ)工作，直接關(guān)系到研究成果的準(zhǔn)確性。建立合理的車-橋耦合模型需要通過合理、準(zhǔn)確的車-橋耦合接觸關(guān)系將列車模型與橋梁模型聯(lián)系起來。（3）車-橋耦合體系動力分析方法。動力分析方法是求解車-橋耦合體系動力響應(yīng)的必要手段。通過選用合理的動力分析方法，聯(lián)立車-橋耦合體系動力平衡方程，從而求解出結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)。

圖 2-1 給出了車-橋耦合地震響應(yīng)分析具體的流程圖。按照該流程給出的研究思路，本章將主要介紹高鐵列車-橋梁耦合體系地震響應(yīng)分析的基本方法和理論，并重點論述本文車-橋耦合體系有限元建模、計算分析、高鐵列車地震安全性評價以及閾值求解的具體方法和流程。

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2.2 車-橋耦合系統(tǒng)激擾
2.2.1 外部激勵
地震荷載是本文研究的主要外部輸入荷載。由于地震動具有隨機性，隨輸入地震波的不同，結(jié)構(gòu)的地震時程反應(yīng)差異較大。合理選擇輸入地震波對保證時程分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性具有重要意義。合理選擇輸入地震波時應(yīng)當(dāng)考慮以下幾方面的因素[20][70]：峰值、頻譜特性、地震動持時以及地震波數(shù)量。
頻譜即組成地震動的各簡諧振動振幅和相位特性，表征地震動不同頻率分量的強度分布，反應(yīng)了地震動的動力特性。它與地震動傳播區(qū)域、距離、傳播介質(zhì)以及場地土性質(zhì)密切相關(guān)。對于同一地震，距離震中越近，則振幅越大，高頻成分越豐富，反之，則振幅越小，低頻成分越豐富。同時，不同性質(zhì)的場地土對不同頻率成分的地震波過濾與吸收的效果不同。震中附近堅硬場地土中，地震波中的短周期成分較多，距離震中距較遠(yuǎn)、沖積土層較厚或土質(zhì)較軟時，由于地震波中的短周期成分被吸收而致使長周期成分居多。
從地震動頻譜特性的角度合理選取地震波應(yīng)把握以下兩條原則：
1）選取的地震波卓越周期應(yīng)盡可能與研究中所選場地的特征周期一致；2）選取的地震波震中距應(yīng)盡可能與研究中所選場地的震中距一致。
軌道不平順是指實際軌道接觸面沿軌道長度方向與理論平順軌道面之間存在的偏差。主要包括無載狀態(tài)下的靜態(tài)不平順和荷載作用下產(chǎn)生的動態(tài)不平順。軌道不平順是使車輛產(chǎn)生橫向振動的主要激勵，是影響輪軌力大小的直接因素，也是由軌道振動產(chǎn)生的影響車輛平穩(wěn)舒適性和運行安全性的主要因素[28] [49]。根據(jù)其在軌道斷面的不同方向，軌道不平順可分為軌向不平順、高低不平順、水平不平順和軌距不平順。
軌道不平順使高速行駛的列車產(chǎn)生隨機振動，從而影響列車運行安全性[17]。影響軌道不平順的隨機特征的影響因素有多種，主要包括：鋼軌表面初始不平、軌枕間距不一致、鋼軌磨損、路基不均勻沉降、道床的強度不均勻等[32]。軌道不平順數(shù)據(jù)主要通過兩種方式獲得：（1）對線路進行實際測量，通過對測量結(jié)果進行分析處理，得到軌道不平順譜[121][122]；（2）通過對軌道系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，得到軌道不平順數(shù)據(jù)[115][127][129][131]。
自 2008 年京津城際鐵路建成并運營以來，我國成為首個高速鐵路運營速度達(dá)到 350 km/h 的國家[24]，時速 350 公里的高速鐵路主要采用無砟軌道，與既有線有砟軌道結(jié)構(gòu)明顯不同。目前我國國內(nèi)軌道譜的相關(guān)研究中主要參考的依然是德國軌道譜。截止到 2014 年年底，我國修建的高速鐵路里程達(dá)到 1.6 萬公里，國內(nèi)外原有軌道不平順譜難以表征高速鐵路無砟軌道不平順譜，因此需要在研究軌道不平順譜計算方法的基礎(chǔ)上，得到適合我國高速鐵路軌道不平順特征的無砟軌道譜。

在實際研究中，通常采用功率譜密度函數(shù)表征軌道不平順激勵。在車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型中，為了便于數(shù)值求解，對于系統(tǒng)激勵的輸入一般采用頻域表達(dá)方式。為了得到時域樣本，首先要將軌道不平順功率譜密度函數(shù)進行時頻轉(zhuǎn)換。目前研究中常用的時頻轉(zhuǎn)換方法主要有三角級數(shù)法、周期圖法、白噪聲濾波法和二次濾波法等[67][114]。相比而言，二次濾波法缺乏通用性，因為采用該方法對不同的軌道不平順功率譜密度函數(shù)進行轉(zhuǎn)換時，所采用的濾波器也會有差異，需要重新生成濾波器。目前研究中最常采用的方法是三角級數(shù)法和周期圖法，本文研究中采用了三角級數(shù)法。

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第三章 車-橋耦合體系動力特性分析.......................41
3.1 引言............................................ 41
3.2 工程概況[51].....................................41
3.3 車-橋耦合有限元模型...............................43
第四章 車-橋耦合體系地震響應(yīng)分析.......................59
4.1 引言.............................................. 59
4.2 地震動記錄選取.................................... 59
4.3 典型地震作用下橋面加速度反應(yīng)..................... 61
第五章 高鐵列車地震安全性評價.........................95
5.1 引言............................................... 95

5.2 高鐵列車運行安全性評價標(biāo)準(zhǔn).......................... 95

第六章 高鐵列車地震報警閾值研究

6.1 引言
作為一個地震多發(fā)國家，高鐵列車地震閾值研究是目前我國高鐵安全建設(shè)中急需解決的一個重要課題。雖然我國已經(jīng)初步建成“四縱四橫”，逾萬公里的高鐵網(wǎng)絡(luò)，但高速鐵路預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)卻相對滯后。目前開通運營的高鐵線路中，例如京津城際鐵路和京滬高速鐵路雖然配置了地震監(jiān)測裝置，但報警閾值的設(shè)定卻沒有經(jīng)過充分的研究和論證，而是參考日本預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)閾值參數(shù)�？紤]到我國的地質(zhì)條件、場地因素、高鐵線路軌道譜等具體參數(shù)跟國外的差異，有必要基于我國高鐵線路的基本情況，研究適合中國高速鐵路系統(tǒng)的報警閾值參數(shù)。

本章重點研究了在典型地震動、基于中國無砟軌道譜確定的軌道不平順激勵共同作用下，如何確定高鐵列車報警閾值參數(shù)取值問題；給出了高鐵列車地震報警閾值的建議值；同時對比分析了基于德國軌道譜和中國軌道譜確定的列車地震報警閾值的差異。

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6.2 高鐵列車地震報警閾值確定方法
為了考慮不同地震作用對車-橋耦合體系動力放大效應(yīng)的差異，本文中采用一種新的思路求解確定高鐵列車地震報警閾值，即直接將車-橋耦合體系橋面加速度反應(yīng)作為輸入進行列車地震響應(yīng)分析，求解閾值（后文中統(tǒng)稱為“本文方法”）。主要思路為：以車橋耦合地震響應(yīng)分析得到的橋面加速度反應(yīng)時程作為輸入，通過調(diào)整時程曲線峰值大�。ū疚难芯恐姓{(diào)整的加速度時程曲線區(qū)間為0.02g-0.26g），，同時考慮軌道不平順激勵，在不同行車速度下，通過反復(fù)試算，找出使高鐵列車三項指標(biāo)中任意一項達(dá)到臨界值時的加速度峰值即為該車速下高鐵列車的地震橫向加速度報警閾值。將所有計算結(jié)果進行綜合，繪出三項安全性指標(biāo)限值所對應(yīng)的地震峰值加速度隨車速變化的曲線，對所有曲線進行包絡(luò)取值，即可確定不同車速下高鐵列車的地震報警閾值。具體的流程圖如圖 6-1。

根據(jù)以上計算和求解思路，基于德國低干擾譜，將 10 條地震波對應(yīng)的橋面加速度反應(yīng)時程作用下求解得到的列車三項指標(biāo)計算結(jié)果進行綜合，分別得到不同地震動強度下列車三項指標(biāo)計算值隨車速的變化曲線。研究中按照 0.02g 的加速度間隔取值，輸入的加速度時程區(qū)間為 0.02g-0.26g，一共為 13 組工況。 計算得到的列車脫軌系數(shù)、輪重減載率和橫向輪軸力結(jié)果見附錄 3。以加速度峰值 0.1g 和0.2g 兩組工況為例，給出地震編號為 1、2、6、7、9、10 一共 6 條地震動輸入下的列車安全性評價三項指標(biāo)計算結(jié)果（見表 6-1 至表 6-3），其中 I 類、II 類、III類場地地震波各兩條。

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第七章 結(jié)論與展望

7.1 全文總結(jié)
本文立足于我國高鐵地震報警和緊急處置系統(tǒng)建設(shè)剛剛起步、經(jīng)驗積累較少、研究尚不深入，許多關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決的研究現(xiàn)狀，以高架橋路段高速鐵路車-橋耦合系統(tǒng)為研究對象，開展考慮車-橋耦合作用的高鐵列車地震安全性評價和地震報警閾值研究。本文主要研究內(nèi)容和研究成果匯總?cè)缦拢?br /> 1.依托京滬高鐵實際工程，基于 Abaqus 有限元軟件平臺建立了合理的高速列車-高架橋耦合模型。對比分析車-橋耦合模型和對應(yīng)的不考慮列車的橋梁模型動力特性的差異，討論了采用車-橋耦合模型進行研究的必要性；同時研究了不同支墩形式、不同跨度以及不同墩高等綜合因素對車-橋耦合模型動力特性的影響。主要成果和結(jié)論如下：
（1）與目前研究中采用的有限元模型相比，本文中采用的車-橋耦合模型采用了更加合理、接近實際的輪軌接觸關(guān)系和邊界條件：通過赫茲非線性理論設(shè)置車-軌橫向、垂向彈簧，切向考慮輪軌橫向及縱向摩擦；采用剛度等于橋面系剛度的水平彈簧對簡支梁之間及端部進行約束；同時還建立了相應(yīng)的不考慮列車的橋梁模型與之進行了對比分析。
（2）車-橋耦合體系和單橋體系動力特性的對比分析結(jié)果表明，車橋耦合體系基本頻率比的單橋體系低，整體剛度相對偏弱。
（3）橋梁墩高和跨度對車-橋耦合體系動力特性具有一定影響。隨著墩高的增大，不考慮列車的橋梁模型和車橋耦合模型各階自振頻率相應(yīng)減小；墩高一定時，橋梁模型的自振頻率比車橋耦合模型大，且振型階數(shù)越高，自振頻率相差越大，列車對橋梁的高階模態(tài)影響更明顯；24m 跨度車-橋耦合體系自振頻率低于 32m 跨度，且振型階數(shù)越高，自振頻率相差越大。
2. 重點對高速鐵路車-橋耦合模型地震響應(yīng)進行了計算分析，得到了車-橋耦合體系橋面加速度響應(yīng)及放大系數(shù)；對比研究了車橋耦合模型和不考慮列車的橋梁模型地震響應(yīng)的差異性；同時對典型地震作用下車-橋耦合體系位移反應(yīng)進行了驗算，包括梁體的豎向位移和橋墩延性驗算，系統(tǒng)比較了分別采用兩種橋墩的車-橋耦合體系在地震作用下的橫向變形能力；研究了地震動輸入頻譜特性對橋面加速度反應(yīng)放大系數(shù)的影響特征，得到了地震動頻譜特性對加速度響應(yīng)的影響規(guī)律。主要成果和結(jié)論如下：

（1）車-橋耦合模型和不考慮列車的橋梁模型橋面地震加速度反應(yīng)及其放大系數(shù)具有明顯差異。在 II 類場地地震動輸入下，根據(jù)車-橋耦合模型得到的加速度響應(yīng)及其放大系數(shù)明顯大于橋梁模型。因此，高鐵列車地震響應(yīng)分析中考慮車-橋耦合效應(yīng)是必要的。

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參考文獻（略）

本文編號：34874