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1、高速铁路列车 无砟轨道 桥梁系统 地震动力学研究 1 问题的提出 国内外研究现状 研究内容与研究方法 关键技术 创新点 自主知识产权及论文发表 高速铁路 无砟轨道 桥梁系统动力学研究 2 一 问题的提出 根据 2010 2040年铁路网规划 到2040年 将全国主要省市 区连接起来 形成国家网络大框架 即 五纵 六横 八连线 3 一 问题的提出 到2020年 建立省会城市及大中城市间的快速客运通道 将形成以京沪 京广 京哈 沪甬深及 陇海 浙赣 青石太及沪汉蓉等 四纵四横 铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统 4 20122012高速铁路网高速铁路网 5 高速铁路梁抗震设计中还没有考虑地震
2、时桥上运行列车 安全的要求 没有制定地震时桥上行车安全控制标准 地震发生时列车在桥上运行的几率 大为增加 地震作用下高速铁路桥梁结构动力学问题不容忽视 地震下车桥系统动力分析尚不完善地震下车桥系统动力分析尚不完善 缺乏针对性系统研究缺乏针对性系统研究 行车安全控制标准研究有待深入行车安全控制标准研究有待深入 考虑行车安全的桥梁设计缺乏技术支撑考虑行车安全的桥梁设计缺乏技术支撑 地震下车桥系统精细化模型 地震下桥上列车行车安全控制 基于性能的桥梁抗震设计 一 问题的提出 桥梁减隔震设计 6 二 国内外研究现状 国 内 外 研 究 现 状 车桥系统动力响应研究现状 地震动输入参数的研究现状 桥梁结
3、构精细化模型的研究现状 列车运行安全的研究现状 基于性能及减隔震设计的研究现状 2 1 2 1 国 内外研究现状组成国 内外研究现状组成 7 二 国内外研究现状 2 2 2 2 地震作用下车桥系统动力响应研究地震作用下车桥系统动力响应研究 列车模型增加纵向自由度 考虑纵向振动 以考虑刹车加速动力学问题 车 桥 振 动 研 究 现 状 轮轨关系竖向约束 分离 密贴 法向约束 分离 密贴 基于大跨度桥梁的变形较大的实际情况 将车辆运动视为 牵连运动动位移和结构振动位移的叠加 建立基于桥梁变 形的车桥系统模型 基于图纸的有限元建模与结构实际工 作状态的偏差实际情况 建立车桥系统基准模型 8 二 国内
4、外研究现状 2 3 2 3 地震动输入参数的研究现状地震动输入参数的研究现状 拟合人工波如何频率非平稳性 人工模拟地震波以规范谱为目标谱 地 震 动 输 入 参 数 研 究 现 状 在选择输入地震波时 应考虑场地效应及近断层效应 时程分析法输入地震记录的选取通常有两种做法 一 实际地震波记录 二 人工模拟地震波 对于重大工程 地震动输入参数必需根据专门的地 震危险性分析 多点输入的地震分析方法 实际地震波记录如何选择 9 二 国内外研究现状 2 4 2 4 桥梁结构模型的研究现状桥梁结构模型的研究现状 如何考虑罕遇地震下支座及桥墩非线性影响 轨道结构层对桥梁结构约束作用 根据桥梁结构型式的不同
5、 可以采用空间梁 杆单元 板单元及其他特殊单元分别进行有限元建模 普通支座及隔振支座恢复力模型及建模 桥墩建模以适应高墩大跨桥梁动力分析 桩土相互作用 对移动荷载的处理和多点多维地震输入 桥 梁 结 构 模 型 的 研 究 现 状 10 二 国内外研究现状 2 5 2 5 列车运行安全的研究现状列车运行安全的研究现状 地震期间的车 桥振动过程是地震动的低频振动与轮轨间超过1Hz的高频振动的 耦合振动过程 即地震动频率1Hz时引起地震共振导致结构物地震响应可能最 大 根据日本 铁道构造物等级设计标准 耐震设计 变位制限 的规定 采用 轮轨横向位移70mm 竖向25mm或者30mm的限值来判断列车
6、是否安全 西南交通大学翟婉明等 北京交通大学韩艳 张楠和夏禾等研究了地震荷载 作用下斜拉桥和简支桥的车桥系统的动力响应行为 研究者运用桥梁结构动 力学与车辆动力学的理论方法 通过车 桥耦合系统在地震动和轨道不平顺激 励下的振动分析模型及相应的仿真计算程序 对在典型地震波激励下车辆运 行安全的主要因素进行了分析和研究 中南大学陈令坤在分析列车走行安全评价指标的基础上 计算了地震作用下 高速铁路列车 无砟轨道 桥梁系统在不同地震烈度 墩高 场地条件下动力响 应 提出了地震期间高速列车行车限值的建议值 分析了输入地震动的近场 断层效应和共振效应对列车地震响应的影响 11 二 国内外研究现状 2 5
7、2 5 列车运行安全的研究现状列车运行安全的研究现状 研究中忽略了一些影响因素或采用简化计算模型 国外的车辆运行安全标准具有经验性 不完全适用于我国 日本铁道技术综合研究所的位移抬升量标准 欧洲要求以使桥梁的动力性能满足列车高速运行安全的要求 并对桥梁的各种动力参数做了相应的规定 我国 铁路桥梁检定规范 对铁路桥梁的实测动力参数做 了相关规定 但没有考虑到行车速度的影响 适用于工程设计的列车运行安全评估的简化方法未建立 列 车 运 行 安 全 的 研 究 现 状 12 二 国内外研究现状 2 6 2 6 桥梁抗震设计的研究现状桥梁抗震设计的研究现状 桥梁抗震设计中未考虑行车安全 铁路桥梁抗震功
8、能水准的划分及设防目标未建立 桥梁结构动力分析方法 单模态或单振型方法 多模态谱分析假设 多支座反应谱分析和时程方法 基于性能的抗震设计方法及危险性易损性分析 正逐步推广 桥 梁 抗 震 设 计 的 研 究 现 状 控制桥梁结构非弹性反应的设计方法 规范采用 13 1 在理论分析中 如何同时考虑地震荷载和高速列车荷载的共同作用 既能 确保高速列车 桥梁在地震作用下能达到抗震性能的要求 又能满足无地震作 用下的足够度和刚度 是急需解决的问题之一 2 目前的计算方法难以精确模拟列车竖向活载作用下车 桥系统的地震响应 导致列车活载作用下桥梁结构的抗震检算不准确和不能考虑地震荷载作用下 列车运行安全性
9、和舒适性 急需开展在我国车 线 桥动力仿真分析方法的基 础上引入地震作用对该耦合系统的影响及行车安全性的研究 3 动态时程分析法 延性抗震设计准则和基于性能的抗震设计很难贯穿于 高速铁路桥梁结构抗震设计的全过程中 难于操作 4 适用于工程设计的地震时高速铁路桥上列车运行安全评估的简化方法 还有待进一步的研究 2 7 2 7 目前存在的主要问题目前存在的主要问题 二 国内外研究现状 14 三 主要研究内容 1 1 高速铁路桥梁地震动输入参数的研究高速铁路桥梁地震动输入参数的研究 2 2 高速铁路桥梁抗震性能仿真分析高速铁路桥梁抗震性能仿真分析 3 3 地震作用下高速列车地震作用下高速列车 桥梁耦
10、合动力学基本理论研究桥梁耦合动力学基本理论研究 4 4 地震对高速铁路桥梁行车安全的研究地震对高速铁路桥梁行车安全的研究 5 5 基于性能的高速铁路桥梁抗震设计方法的探讨基于性能的高速铁路桥梁抗震设计方法的探讨 6 6 高速铁路桥梁减隔震设计方法高速铁路桥梁减隔震设计方法 15 3 1 3 1 高速铁路桥梁地震动输入参数的研究高速铁路桥梁地震动输入参数的研究 三 主要研究内容 根据现有的加速度强震记录资料如PEER强震数据库 确定时变功率谱和能量 等效速度谱的衰减关系式 并分析震级 震中距对时变功率谱及能量等效速度谱 的影响规律 通过分析局部空间位置变化对地震动参数影响显著程度 研究地震动参数
11、空 间变化特性 根据时变功率谱的衰减规律和地震动参数的空间变化特性 探讨考虑行波效 应的多点输入非平稳地震加速度的时程曲线合成方法 并通过对典型高速铁路 工程场地的研究 建立有代表性的考虑行波效应的多点输入加速度时程曲线 应用于高速铁路桥梁抗震分析 16 人造地震动 17 人造地震动 18 3 2 3 2 高速铁路桥梁抗震性能仿真分析高速铁路桥梁抗震性能仿真分析 三 主要研究内容 分析不同梁体形式在不同跨度 不同跨数情况下对桥梁结构动力性能的影 响 确定不同梁体影响桥梁结构动力响应的规律和影响高速铁路桥梁抗震性 能的因素 分析不同高度的墩的受力特征和应力分布 确定墩高对高速铁路桥梁的抗震性 能
12、的影响规律 不同场地特征对高速铁路桥梁的动力和抗震性能影响 确定场地 条件影响高速铁路桥梁抗震性能的关键因素 研究不同支座在不同地震作用下的减隔震性能 不同支座对桥梁刚度和高速铁 路桥梁行车安全的影响 确定适用于高速铁路桥梁的减隔震支座的相关参数 19 38 DOF动车 拖车模型 CRH380 20 38DOF动车 拖车模型 高速列车空间振动分析模型 21 2222 CRTS 板式无砟轨道模型 22 箱梁 支座 桥墩模型 23 桩板结构 CFGCFG桩桩 钢筋砼板钢筋砼板 桩土相互作用的影响 24 桩土相互作用的影响 考虑桩 土作用的桥梁有限元模型 25 轮轨关系 如果将整个车桥系统在轮轨接触
13、处划分为车辆 桥梁两个子系统 则车桥系统振 动的耦合效应就表现为车辆与桥梁两个子系统之间的位移和力的协调关系 也就 是说 车桥耦合关系体现为以下两个方面 1 轮轨接触处车辆位移与桥梁位移之间的几何相容条件 2 轮轨接触处轮轨相互作用力的静力平衡条件 26 轮轨关系 德国低干扰谱转换的时域不平顺样本 左高低 德国低干扰谱转换的时域不平顺样本 右高低 轮轨关系 德国低干扰谱转换的时域不平顺样本 左水平 德国低干扰谱转换的时域不平顺样本 右水平 28 3 3 3 3 地震作用下高速列车地震作用下高速列车 桥梁耦合动力学基本理论研究桥梁耦合动力学基本理论研究 三 主要研究内容 根据我国几种典型高速铁路
14、桥梁的特点 采用有限元方法建立桥梁结构的 空间振动模型 模型中包括了桥墩 支座 上部结构及轨道等 所建立的模 型能模拟对结构地震反应有贡献的所有特征振型 并详细分析各种典型高速 铁路桥梁结构参数对其动力性能的影响 在已有桥梁抗震理论和车辆动力学理论的基础上 从统一大系统角度出发 将车桥系统以轮轨接触为界 分为车辆与轨桥两个子系统 并按照一定的轮 轨关系相联系 建立地震作用下考虑桥墩和支座影响的高速铁路车桥耦合振 动的空间动力分析模型 利用现有的通用有限元程序 通过二次开发等手段 对地震作用下高速铁路 车桥系统进行大量的仿真分析 详细分析各种各种典型高速铁路桥梁结构参数 不同车速及地震动参数对其
15、动力性能的影响 探讨车桥系统在地震作用下的动 力响应规律 29 3 4 3 4 地震对高速铁路桥梁行车安全的研究地震对高速铁路桥梁行车安全的研究 三 主要研究内容 分析总结目前脱轨的评定标准及影响车辆脱轨的主要因素 确定便于评定地 震作用下桥上列车运行安全的脱轨准则 基于脱轨准则 根据我国几种典型高速铁路桥梁的特点 研究考虑行波效应 和多点激励下的地震作用下车桥系统的动力响应 分析影响行车安全的主要因 素 根据我国几种典型高速铁路桥梁的特点 通过大量的分析 建立不同场地类 别和地震强度下桥上列车安全运行的临界速度 在列车安全运行的前提下 基于车桥系统 分析桥梁结构动力设计参数 建 立考虑行车安
16、全桥梁结构动力设计参数的限定标准 30 3 5 3 5 基于性能的高速铁路桥梁抗震设计方法基于性能的高速铁路桥梁抗震设计方法 三 主要研究内容 建立高速铁路桥梁抗震功能水准的划分及设防目标 提出合适的高速铁路桥梁设计位移和能量反应谱 3 6 3 6 高速铁路桥梁减隔震设计方法高速铁路桥梁减隔震设计方法 通过分析铅芯橡胶支座的力学性能与力学模型 提出适用于高速铁路 简支梁桥的铅芯橡胶支座的力学分析模型及其参数计算方法 建立高速 铁路桥梁铅芯橡胶支座的减隔振设计方法 31 四 研究方法 通过对典型工程场地地震动输入参数的研究 从时变功率谱出发 根据 高速铁路桥梁的不同设防水准设计原则 时变谱的衰减规律及基于时变谱的 三角级数叠加法进行强度和频率非平稳加速度时程的合成 并根据地震动参 数的空间性 建立典型的高速铁路桥梁的多点多维地震加速度的时程曲线 1 1 高速铁路桥梁地震动输入参数的研究高速铁路桥梁地震动输入参数的研究 2 2 高速铁路桥梁抗震性能仿真分析高速铁路桥梁抗震性能仿真分析 由于桥墩和支座与上部结构的地震响应之间的关系较为复杂 如果在车桥耦 合振动的分析模型中如要完全考虑各个影响
