冰激与列车荷载耦合作用下寒区高铁桥梁服役安全性评估方法研究

In order to deal with the safety assessment problem of the high-speed railway bridge in the cold region under the coupling of ice and train loads, the theoretical and experimental research will be carried out closely around the core problems including the mechanism of ice-induced force, ice-train-track-bridge coupling interaction theory and safety assessment of high-speed railway bridge. Firstly, this study will do physical test and mechanical property test on ice and establish the constitutive relation of ice. Considering the types of ice load, the failure modes, the form of effect on structure and the influencing factors, this study will reveal the mechanism of flow Ice effect on piers. The established mathematical model will be verified and improved after test. Secondly, based on the train-track-bridge interaction theory, this study will built the mathematical model of ice-train-track-bridge coupling vibration, write analysis program and do the verification through field test. Under multi-factor coupling action, it will ascertain the vibration characteristics of the full bridge and its part to find the influence law. Finally, taking bridge structure mechanics parameters as target, this study will consider the key parameters of train and track to build integrated evaluation. The comprehensive variable weight hierarchical Bayesian model will be used to evaluate railway service safety in cold region, ensuring the safe operation of high-speed bridge in life-cycle design reference period. It can also provide the scientific basis for the design, safe operation maintenance and even later reinforcement of high-speed railway in cold region.

针对寒区高速铁路桥梁在冰激与列车荷载耦合作用下的安全评估问题，紧紧围绕冰激力作用机理、冰激-列车-轨道-桥梁耦合相互作用理论、高铁桥梁安全评估的核心问题开展理论与试验研究，首先，进行冰的物理试验和力学性能试验，建立冰结构的力学本构关系。考虑冰荷载的类型、破坏模式、对结构作用方式以及影响因素，揭示流冰对桥墩作用机理，建立流冰对结构作用的数学模型并进行试验验证和完善；其次，基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论，建立流冰-列车-轨道-桥梁耦合振动数学模型和编制分析程序以及进行现场试验的验证，探明多因素耦合作用下桥梁的整体与局部的振动特性与影响规律；最后，以桥梁结构力学参数为目标考虑列车、轨道关键参数构建一体化评价理论，利用综合变权重分层次的贝叶斯模型对高寒铁路的服役安全性进行评估，确保高铁桥梁在全寿命设计基准期的安全运营，也为高寒地区高铁的设计、安全运营和维修甚至后期的加固改造提供科学依据。

本项目冰激与列车荷载耦合作用下寒区高铁桥梁服役安全性评估方法研究（项目批准号：51778194）针对寒区高速铁路桥梁在冰激与列车荷载耦合作用下的安全评估问题，开展了冰的力学试验研究、冰和桥墩相互作用以及冰激-列车-轨道-桥梁耦合作用的机理研究。. 首先，揭示了冰结构的力学本构关系以及流冰对桥墩的作用机理；建立了流冰对结构作用的数学模型并进行试验验证；建立了冰的微观结构的试验重构方法；发展了冰荷载的较为准确的表达方法以及冰温度场和承载力的准确表征。. 其次，基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论，充分考虑流冰与桥梁之间的相互作用机制、轮轨空间动态接触关系、轨道结构的弹性，建立了外荷载-列车-轨道-桥梁耦合动力学分析模型，开发了外荷载-列车-轨道-桥梁耦合振动分析程序；探明了随机的流冰撞击荷载、泥石流荷载、地震荷载、高速列车动荷载等耦合作用下桥梁结构的整体与关键部位的振动特性，评估分析了流冰撞击等荷载作用下列车脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力和车体横向加速度时程曲线等高速行车安全性与稳定性，探明了列车运行速度与流冰撞击强度之间的临界关系，揭示了极端冰荷载作用下TMD对列车行车安全性的影响规律。. 最后，构建了高铁桥梁在冰激-列车-轨道-桥梁耦合作用下的安全评估模型并开发程序实现其自动可靠评估。考虑列车的脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力和轨道的不平顺参数之间的相关性，研究其与桥梁结构的性能的变化规律，以决策树理论为基础建立评估模型，采用综合变权重分层次贝叶斯或者蒙特卡洛理论分步骤、分层次和分类别建立评估方法，以此实现对高铁桥梁的安全性评定，进而也实现可以预测结构随着时间的变化规律以及预测和反诊断分析。. 研究成果完善了寒区特色冰相关的系列理论和试验研究，发展了该领域的研究方法，拓宽了该领域的研究内容，为开展寒区高速铁路桥梁结构的动态服役安全提供了最直接的科学研究方法和理论依据，也为中国高铁走向世界提供了有益借鉴。