城市高架桥简支梁在地震作用下轨道列车响应及运行的安全性分析
|
摘要
近年来,我国城市轨道交通在许多城市都得到了的蓬勃发展,高架桥线路以其投资经济、施工周期短、运营成本低、良好的线路适应性等优点,逐渐在城市轨道交通建设中得到了越来越广泛的运用。我国是一个地震频发的国家,大中城市发生轻度地震的几率很高,当地震发生时,行驶在桥上的列车由于下部结构传来的地震激扰而造成列车脱轨的事故屡有发生,因此研究地震作用下桥上列车运行的安全性显得尤为重要和具有实际的意义。
本文在总结前人对地震作用下的车线桥耦合振动的基础上,利用通用有限元软件ABAQUS建立了车辆—轨道—桥梁耦合动力学三维模型,包括车辆模型、轨道模型、桥梁模型以及墩土相互作用模型。选取了分别代表四类场地土的地震波作为外部激励进行输入,力求准确模拟地震发生时的车线桥动力响应。
总结以往对于车辆安全性和平稳性的评价,以及桥梁动力性能的评价,确定了地震作用下理论上仍可采用脱轨几何准则进行列车运行安全与否的评判,选取了车辆、轨道和桥梁的一系列评价指标,对地震作用下的车线桥动力响应进行分析。
对所选地震波进行规格化处理后,将地震波进行垂向+横向、垂向+横向+纵向的组合,得到车辆、轨道和桥梁的动力响应指标值并进行对比分析,给出车辆安全运行情况以及轨道和桥梁安全使用情况的评价。
通过已建立的三维仿真模型,从行车速度、桥墩高度、轨道平顺度、地震波强度、轨道扣件和桥梁支座参数这五个影响因素,利用所选取的动力响应指标,对地震作用下的车辆—轨道—桥梁耦合动力系统作规律性的分析研究,提出了列车在地震作用下安全运行的建议。
In recent years, urban rail transportation have been booming in many cities. Viaduct railway with its investment economy, convenient construction period, operation of low cost, good adaptability etc, are getting more and more extensive application in urban rail transit construction. Earthquake often accur in our country, and the engineering structures was destroyed by earthquake. When the earthquake occurred the accident of train derailment happened which was caused by earthquake excitation passed by the bridge structure, so the study about vehicle-track-bridge's safety is particularly important and practically significant.
Based on the analysis of the earthquake effect on vehicle-track-bridge's dynamic coupling vibration, this thesis uses the universal finite element ABAQUS software to build coupling dynamic 3D model about vehicles-track-bridge, which simulates 31 degrees of vehicle model, the wheel-rail contact model, rail irregularities model, bridge model and pier-soil interaction model. Choose four seismic waves to respectively represente the four kind of site, as external incentives to input, in order to simulate the dynamic reponse of vehicle-track-bridge model accurately when the earthquake happened.
Summarizing the safety and stability of vehicle and the dynamic performance of the bridge, the thesis defined the evalustion for train's derailment theoretically when earthquake happened. So select the indexes of vehicle,track and bridge to evaluate the vehicle-track-bridge's dynamic response under action of earthquake.
After standardized procession of seismetic waves, the seismetic waves are combinated by vertical+lateral and vertical+lateral+longitudinal. Get the comparative analysis of the dynamic response index of vehicle-track-bridge, and give the evaluation of vehicle's running satety and safety operation of track and bridge.
Through the established 3D simulation model, the thesis analysis the ragularity of vehicle-track-bridge's dynamic coupling under action of earthquake from vehicle speed, pier height, track irragularity, the intensity of earthquake wave, rail fastener and bridge seat parameters these five influence factors to put forward to suggestions on the train's operation safety under action of earthquake.
本文在总结前人对地震作用下的车线桥耦合振动的基础上,利用通用有限元软件ABAQUS建立了车辆—轨道—桥梁耦合动力学三维模型,包括车辆模型、轨道模型、桥梁模型以及墩土相互作用模型。选取了分别代表四类场地土的地震波作为外部激励进行输入,力求准确模拟地震发生时的车线桥动力响应。
总结以往对于车辆安全性和平稳性的评价,以及桥梁动力性能的评价,确定了地震作用下理论上仍可采用脱轨几何准则进行列车运行安全与否的评判,选取了车辆、轨道和桥梁的一系列评价指标,对地震作用下的车线桥动力响应进行分析。
对所选地震波进行规格化处理后,将地震波进行垂向+横向、垂向+横向+纵向的组合,得到车辆、轨道和桥梁的动力响应指标值并进行对比分析,给出车辆安全运行情况以及轨道和桥梁安全使用情况的评价。
通过已建立的三维仿真模型,从行车速度、桥墩高度、轨道平顺度、地震波强度、轨道扣件和桥梁支座参数这五个影响因素,利用所选取的动力响应指标,对地震作用下的车辆—轨道—桥梁耦合动力系统作规律性的分析研究,提出了列车在地震作用下安全运行的建议。
In recent years, urban rail transportation have been booming in many cities. Viaduct railway with its investment economy, convenient construction period, operation of low cost, good adaptability etc, are getting more and more extensive application in urban rail transit construction. Earthquake often accur in our country, and the engineering structures was destroyed by earthquake. When the earthquake occurred the accident of train derailment happened which was caused by earthquake excitation passed by the bridge structure, so the study about vehicle-track-bridge's safety is particularly important and practically significant.
Based on the analysis of the earthquake effect on vehicle-track-bridge's dynamic coupling vibration, this thesis uses the universal finite element ABAQUS software to build coupling dynamic 3D model about vehicles-track-bridge, which simulates 31 degrees of vehicle model, the wheel-rail contact model, rail irregularities model, bridge model and pier-soil interaction model. Choose four seismic waves to respectively represente the four kind of site, as external incentives to input, in order to simulate the dynamic reponse of vehicle-track-bridge model accurately when the earthquake happened.
Summarizing the safety and stability of vehicle and the dynamic performance of the bridge, the thesis defined the evalustion for train's derailment theoretically when earthquake happened. So select the indexes of vehicle,track and bridge to evaluate the vehicle-track-bridge's dynamic response under action of earthquake.
After standardized procession of seismetic waves, the seismetic waves are combinated by vertical+lateral and vertical+lateral+longitudinal. Get the comparative analysis of the dynamic response index of vehicle-track-bridge, and give the evaluation of vehicle's running satety and safety operation of track and bridge.
Through the established 3D simulation model, the thesis analysis the ragularity of vehicle-track-bridge's dynamic coupling under action of earthquake from vehicle speed, pier height, track irragularity, the intensity of earthquake wave, rail fastener and bridge seat parameters these five influence factors to put forward to suggestions on the train's operation safety under action of earthquake.
引文
[1]http://wenwen.soso.com/z/q85601345.htm
[2]中村丰.铁路与地震灾害[J].地震杂志.1995.6：63～73
[3]栗林荣一.1995年1月17日日本神户地震(兵库县南部地震)调查报告[J].世界地震工程,1995(2)：63～73
[4]丁建霆,姜淑珍,包峰.唐山地震桥梁震害回顾[J].世界地震工程.2006.3：68～71
[5]http://www.xinhuanet.com
[6]中铁二院工程集团有限责任公司.汶川地震工程震害调查及铁路工程抗震设计标准研究总报告[M].成都：中铁二院工程集团有限责任公司,2008.8：13～38
[7]岳力强.城市轨道交通连续刚构桥上无缝线路设计研究[D].东南大学硕士学位论文.2007.5
[8]Miyamoto T, lshida H,Matsuo M. Running safety of railway vehicle as earthquake occurs. Quarter Report of RTRI,1997.38:117-122
[9]孙宁,周宏业.国外大跨度桥梁地震反应分析研究进展[J].世界地震工程.1994.5
[10]宫本,岳史.地震情况下列车的运行安全性分析[D].国外铁道车辆.2009.3
[11]黄艳,阎贵平,刘林.轨道约束对铁路桥梁纵向地震反应特性的影响[J].铁道学报.2002.10：124～128
[12]J.-M.Kim, M.Q.Feng, M.Shinozuka, Energy dissipating restrainers for highway bridges, Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2000.pp65-69
[13]夏禾,张楠.车辆与结构动力相互作用[M].北京：科学出版社,2005.8：252～290
[14]黄艳.考虑轨道约束的铁路桥梁抗震研究[D].北京：北京交通大学博士学位论文,2003：
[15]韩艳,夏禾,郭薇薇.斜拉桥在地震和列车荷载同时作用下的动力响应分析[J].工程力学.2006.1：93～98
[16]林玉森.地震作用下高速铁路桥上列车走行性研究[D].西南交通大学博士学位论文.2007.10
[17]汪晶,倪永军,程绍革.连续梁桥基于位移的抗震设计[J].工程抗震.2004.2,(2)：6-12
[18]刘新岗.城市轨道交通桥梁地震易损性分析[M].北京交通大学硕士学位论文.2009.6
[19]张国忠,闫维明,李洪泉.地震作用下磁悬浮车—桥垂向耦合动力学研究[J].世界地震工程.2006.9：63～73
[20]翟婉明.车辆—轨道耦合动力学[M].科学出版社.2007.2：214～225
[21]田杰,许克宾.列车运行安全性、平稳性的控制因素及评估准则[J].中国安全科学学报.2001.6
[22]李广慧.车辆—无砟轨道—桥梁系统振动特性及其应用[M].黄河水利出版社.2007.9：72～77
[23]刘展.ABAQUS6.6基础教程与实例详解[M].中国水利水电出版社.2008.2
[24]庄茁等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].清华大学出版社.2009.1：151～169
[25]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解.机械工业出版社.2008.9
[26]严隽耄.车辆工程[M].中国铁道出版社.1992
[27]郭积程.高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段研究[M].北京交通大学硕士生学位
论文.2009.6
[28]马春艳,谷爱军,夏禾.城市高架桥减振器轨道结构振动及传播特性[J].都市快轨交通.2008.4：10～43
[29]贺向力,李同春.无限域中的动力人工边界[J].水利水电科技进展.2005.6：64～67
[30]GB50111-2006.铁路工程抗震设计规范.中国计划出版社.2006
[31]http:／／peer.berkeley.edu／smcat／
[32]http:／／forum.simwe.com／index.php
[33]吴天行.轨道减振器与弹性支承块或浮置板轨道组合的隔振性能分析[J].振动工程学报.2007.10：489～493
[34]张骏,汤劲松.铁路简支梁桥支座的减震性能研究[J].石家庄铁道学院学报.2002.3：64～69
[35]范立础.桥梁抗震[M].同济大学出版社.
[36]王朝阳,季文玉.北京地铁13号线高架桥动力测试.铁道建筑,2004
[37]周勇军,彭晓彬,宋一凡.在用简支梁桥横向地震动研究[J].长安大学学报：自然科学版.2008.9,28(5)
[38]韩艳,夏禾,张楠.考虑非一致地震输入的车—桥系统动力响应分析[J].中国铁道科学.2006.9,27(5)：46～53
[39]谭长建,祝兵.地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析[J].振动与冲击.Vol28 No.12009
[40]王军问,张运波,李建中,范立础.地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响[J].工程力学.2007.11,24(11)
[41]张师岸.轨道结构参数对轮轨作用力的影响[J].石家庄铁道学院学报：自然科学版.2008.6,21(2)
[42]孟宪锋,朱晞.近场地震作用下高速铁路简支梁桥的碰撞行为[J].北京交通大学学报.2006.8,30(4)：31～33
[43]江辉,朱晞,倪永军.基于谱速度的近场地震动输入能量计算模型研究[J].世界地震工程.2009.9,25(3)：86～90
[44]倪永军,朱晞.近断层地震的加速度峰值比和反应谱分析[J].北京交通大学学报.2004.8,28(4)
[45]张亚辉,陈艳,李丽媛,林家浩.桥梁抗震随机响应分析及输入功率谱研究[J].大连理工大学学报.2007.11,47(6)：786～792
[46]杨文忠,练松良,刘扬.轨道不平顺功率谱拟合分析方法[J].2006.3,34(3)
[47]陈宪麦,王澜,杨凤春,柴雪松,吴旺青.无砟轨道谱的初步分析[J].铁道建筑.2006.12
[48]郝建华,曾京,邬平波.铁道客车垂向随机减振及悬挂参数优化[J].铁道学报.2006.12,28(6)
[49]邓蓉.北京城轨13号线桥梁荷载试验[J].现代城市轨道交通.2004.1：30～34
[50]王雪.地铁列车轮对几何参数接触式自动测量原理的分析[J].铁道技术监督.2008.8,36(8)
[51]王朝阳,季文玉.北京地铁13号线高架桥动力测试.铁道建筑.2004.5：17～18
[52]练松良.轨道动力学[M].上海：同济大学出版社.2003
[53]任尊松.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社.2007：28～69
[54]谷爱军.铁路轨道[M].北京：中国铁道出版社.2007
[55]中华人民共和国铁道部.铁道车辆用轮对型式与基本尺寸[S].2005.3.29
[56]GB5599-85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范.国家标准局.1985.11.25
[57]马坤全,陈文艳.轨道交通无缝线路对高架桥抗震性能的影响[J].城市轨道交通研究.2002.1.28
[2]中村丰.铁路与地震灾害[J].地震杂志.1995.6：63～73
[3]栗林荣一.1995年1月17日日本神户地震(兵库县南部地震)调查报告[J].世界地震工程,1995(2)：63～73
[4]丁建霆,姜淑珍,包峰.唐山地震桥梁震害回顾[J].世界地震工程.2006.3：68～71
[5]http://www.xinhuanet.com
[6]中铁二院工程集团有限责任公司.汶川地震工程震害调查及铁路工程抗震设计标准研究总报告[M].成都：中铁二院工程集团有限责任公司,2008.8：13～38
[7]岳力强.城市轨道交通连续刚构桥上无缝线路设计研究[D].东南大学硕士学位论文.2007.5
[8]Miyamoto T, lshida H,Matsuo M. Running safety of railway vehicle as earthquake occurs. Quarter Report of RTRI,1997.38:117-122
[9]孙宁,周宏业.国外大跨度桥梁地震反应分析研究进展[J].世界地震工程.1994.5
[10]宫本,岳史.地震情况下列车的运行安全性分析[D].国外铁道车辆.2009.3
[11]黄艳,阎贵平,刘林.轨道约束对铁路桥梁纵向地震反应特性的影响[J].铁道学报.2002.10：124～128
[12]J.-M.Kim, M.Q.Feng, M.Shinozuka, Energy dissipating restrainers for highway bridges, Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2000.pp65-69
[13]夏禾,张楠.车辆与结构动力相互作用[M].北京：科学出版社,2005.8：252～290
[14]黄艳.考虑轨道约束的铁路桥梁抗震研究[D].北京：北京交通大学博士学位论文,2003：
[15]韩艳,夏禾,郭薇薇.斜拉桥在地震和列车荷载同时作用下的动力响应分析[J].工程力学.2006.1：93～98
[16]林玉森.地震作用下高速铁路桥上列车走行性研究[D].西南交通大学博士学位论文.2007.10
[17]汪晶,倪永军,程绍革.连续梁桥基于位移的抗震设计[J].工程抗震.2004.2,(2)：6-12
[18]刘新岗.城市轨道交通桥梁地震易损性分析[M].北京交通大学硕士学位论文.2009.6
[19]张国忠,闫维明,李洪泉.地震作用下磁悬浮车—桥垂向耦合动力学研究[J].世界地震工程.2006.9：63～73
[20]翟婉明.车辆—轨道耦合动力学[M].科学出版社.2007.2：214～225
[21]田杰,许克宾.列车运行安全性、平稳性的控制因素及评估准则[J].中国安全科学学报.2001.6
[22]李广慧.车辆—无砟轨道—桥梁系统振动特性及其应用[M].黄河水利出版社.2007.9：72～77
[23]刘展.ABAQUS6.6基础教程与实例详解[M].中国水利水电出版社.2008.2
[24]庄茁等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].清华大学出版社.2009.1：151～169
[25]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解.机械工业出版社.2008.9
[26]严隽耄.车辆工程[M].中国铁道出版社.1992
[27]郭积程.高速铁路路基上有砟轨道与无砟轨道过渡段研究[M].北京交通大学硕士生学位
论文.2009.6
[28]马春艳,谷爱军,夏禾.城市高架桥减振器轨道结构振动及传播特性[J].都市快轨交通.2008.4：10～43
[29]贺向力,李同春.无限域中的动力人工边界[J].水利水电科技进展.2005.6：64～67
[30]GB50111-2006.铁路工程抗震设计规范.中国计划出版社.2006
[31]http:／／peer.berkeley.edu／smcat／
[32]http:／／forum.simwe.com／index.php
[33]吴天行.轨道减振器与弹性支承块或浮置板轨道组合的隔振性能分析[J].振动工程学报.2007.10：489～493
[34]张骏,汤劲松.铁路简支梁桥支座的减震性能研究[J].石家庄铁道学院学报.2002.3：64～69
[35]范立础.桥梁抗震[M].同济大学出版社.
[36]王朝阳,季文玉.北京地铁13号线高架桥动力测试.铁道建筑,2004
[37]周勇军,彭晓彬,宋一凡.在用简支梁桥横向地震动研究[J].长安大学学报：自然科学版.2008.9,28(5)
[38]韩艳,夏禾,张楠.考虑非一致地震输入的车—桥系统动力响应分析[J].中国铁道科学.2006.9,27(5)：46～53
[39]谭长建,祝兵.地震作用下高速列车与桥梁耦合振动分析[J].振动与冲击.Vol28 No.12009
[40]王军问,张运波,李建中,范立础.地震动行波效应对连续梁桥纵向地震碰撞反应的影响[J].工程力学.2007.11,24(11)
[41]张师岸.轨道结构参数对轮轨作用力的影响[J].石家庄铁道学院学报：自然科学版.2008.6,21(2)
[42]孟宪锋,朱晞.近场地震作用下高速铁路简支梁桥的碰撞行为[J].北京交通大学学报.2006.8,30(4)：31～33
[43]江辉,朱晞,倪永军.基于谱速度的近场地震动输入能量计算模型研究[J].世界地震工程.2009.9,25(3)：86～90
[44]倪永军,朱晞.近断层地震的加速度峰值比和反应谱分析[J].北京交通大学学报.2004.8,28(4)
[45]张亚辉,陈艳,李丽媛,林家浩.桥梁抗震随机响应分析及输入功率谱研究[J].大连理工大学学报.2007.11,47(6)：786～792
[46]杨文忠,练松良,刘扬.轨道不平顺功率谱拟合分析方法[J].2006.3,34(3)
[47]陈宪麦,王澜,杨凤春,柴雪松,吴旺青.无砟轨道谱的初步分析[J].铁道建筑.2006.12
[48]郝建华,曾京,邬平波.铁道客车垂向随机减振及悬挂参数优化[J].铁道学报.2006.12,28(6)
[49]邓蓉.北京城轨13号线桥梁荷载试验[J].现代城市轨道交通.2004.1：30～34
[50]王雪.地铁列车轮对几何参数接触式自动测量原理的分析[J].铁道技术监督.2008.8,36(8)
[51]王朝阳,季文玉.北京地铁13号线高架桥动力测试.铁道建筑.2004.5：17～18
[52]练松良.轨道动力学[M].上海：同济大学出版社.2003
[53]任尊松.车辆系统动力学[M].北京：中国铁道出版社.2007：28～69
[54]谷爱军.铁路轨道[M].北京：中国铁道出版社.2007
[55]中华人民共和国铁道部.铁道车辆用轮对型式与基本尺寸[S].2005.3.29
[56]GB5599-85.铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范.国家标准局.1985.11.25
[57]马坤全,陈文艳.轨道交通无缝线路对高架桥抗震性能的影响[J].城市轨道交通研究.2002.1.28