高速铁路桥梁列车安全舒适运行控制理论研究

国内外在高速铁路建设与运营实践中已取得一定成功经验，但高速列车脱轨事故仍有发生，可见高速列车走行安全性问题并未很好解决。桥梁在高速铁路中所占比例相当大，研究高速铁路桥梁列车走行安全性，对于提高高速铁路设计与运营管理水平具有重要的理论与应用价值。本项目基于列车脱轨能量随机分析理论，参照悬索桥颤振失稳特征，提出列车-轨道-桥梁系统横向振动稳定性分析理论与此系统横向振动失稳临界车速分析方法。分别提出列车、轨道、桥梁空间振动分析有限元模型，建立高速列车-轨道-桥梁空间振动方程，研发高速铁路桥梁列车脱轨分析软件，实现高速铁路桥梁列车脱轨全过程计算机仿真。计算高速列车-轨道-桥梁系统横向振动失稳临界车速，为桥梁设计提供理论依据。提出高速铁路桥梁横向刚度检定标准分析方法，建立某典型高速铁路桥梁横向振幅通常值与行车安全限值标准，为建立高速铁路桥梁横向刚度检定标准提供参考。

在前人研究基础上，本项目开展高速铁路列车走行安全性研究，主要工作和成果如下：（1）进一步论证了列车脱轨的力学机理是列车-轨道-桥梁系统横向振动丧失稳定。根据系统平衡状态稳定性的物理概念，论述了判别系统平衡状态稳定性的力素增量与能量增量方法。建立了列车-轨道-桥梁系统横向振动稳定性分析的能量增量判别准则，提出列车脱轨临界车速与容许车速分析方法。（2）计算出老滦河桥、黄河桥、酉水桥以及南津浦线某区段空载货物列车失稳临界车速分别为65.2 km/h 、64.8 km/h 、66.5 km/h 与56.0 km/h，计算结果与实际情况接近，证明了上述分析方法是可行的。运用本项目提出的分析理论，解决了以下实际工程问题。（3）计算出高速铁路板式与双块式无砟轨道列车失稳临界车速分别为607.5 km/h与630.8 km/h，从理论上证明了我国高速铁路具有很高的运行安全度。（4）分析了沪通桥主跨1092 m斜拉桥、安庆桥主跨580 m斜拉桥、广珠城际铁路容桂水道连续刚构桥列车走行安全性。分析结论表明：在设计车速下这些桥梁具有足够的横向刚度，能够确保桥上列车安全、平稳舒适运行，桥梁抵抗脱轨能力很高，为这些桥梁设计提供了理论依据。（5）分析金温线9座横向振幅超限桥梁的列车走行性。根据分析结果提出如下建议：对武义江大桥、岭下大桥、小溪特大桥、石郭中桥以及好溪大桥不采取加固或列车限速措施；对于碧川大桥、上白蒲大桥、下白蒲大桥、湖边大桥应采取加固措施与货物列车限速过桥。（6）提出了铁路桥梁横向振幅行车安全限值分析方法。计算出金温线32 m预应力混凝土简支梁桥、24 m预应力混凝土简支梁桥、20 m混凝土简支梁桥以及16 m混凝土简支梁桥的横向振幅行车安全限值分别为L/6400、L/5500、L/4800与L/4000。上述研究成果通过专家鉴定，并在金温铁路公司得到应用，取得了巨大的经济效益。课题发表论文14篇，其中EI检索论文8篇，培养博士1人，硕士6人。研究成果为铁路桥梁设计与养护管理等提供了理论依据。