风雪环境中高速列车-桥梁耦合作用及行车安全控制研究

Wind and snow are very dangerous for the high-speed running trains that passing through the bridges. As the result of the increasing bridge ratio in the railway line and frequently happening snowstorm, it is necessary to study the dynamic responses of bridge-train coupling system and safety control of the high-speed railway in the wind and snow environment. Based on the previous research on wind-train-bridge coupling system, a complex research method including theoretical derivation, field experiment and numerical simulation is adopted, and a coupling model consist of wind, snow, train and bridge is established while not only the wheel-rail contact condition change caused by snow but also the excitation of fluctuating wind are considered. The effective integration method and framework for solving the differential equations of motion are studied, a corresponding computing program is written, too. The dynamic relation between the lateral amplitude and vertical displacement of bridge, the acceleration, lateral force, derail coefficient of train, and the influence actors such as train marshalling, train speed, density of snow, depth, the quantity of flying up snow, wind velocity, railway irregulations are established in this project, to decide the appropriate train speed limitation and confirm whether it is necessary to close the rail traffic on the bridge temporarily when snowstorm happens. The achievements of this project will provide running advices for safety and efficiency control of the high-speed railway management, and enhance the anti-wind/snow capacity of railway bridges, which has important social significance.

（暴）风雪会对桥上高速列车的走行安全造成极大威胁。高速铁路线路中日渐增加的桥梁比重以及频频出现的暴风雪灾害迫切要求开展风雪环境中车桥耦合振动及行车安全控制的研究。本课题拟在前期风-车-桥耦合系统研究的基础上，采用理论推导、试验测试与数值模拟相结合的方法，建立既能考虑积雪引起的轮轨接触条件的变化，又能模拟脉动风荷载对车桥系统激励作用的风-雪-车-桥耦合作用模型，探索适用的高效积分方法和计算框架，编写仿真程序，揭示列车编组、列车速度、积雪密度、积雪深度、积雪飞溅量、风速、轨道不平顺等因素对耦合系统动力响应的影响规律，建立各项因素与桥梁横向振幅及竖向挠度、列车振动加速度、横向力、脱轨系数等安全性及平稳性指标之间的动态关系，归纳（暴）风雪发生时合理的行车建议以及桥梁临时封闭措施实施依据。本研究既可为高速铁路的安全高效运营提供行车建议，又可为提高铁路桥梁整体抗风雪能力奠定基础，具有重要的社会意义。

高速铁路及高速公路线路中日渐增加的桥梁比重以及频繁出现的风雪灾害对铁路及公路行车安全均造成了严重影响，因此开展风雪环境中车桥耦合振动及行车安全控制的研究具有重要的意义。本课题以车桥耦合振动为基础，采用理论推导、试验测试与数值模拟相结合的方法开展了以下三方面的研究：. 首先，对桥址区的风速数据进行现场采集，总结基础风场特性，并考虑大跨度桥梁的几何非线性因素建立风-列车-大跨度桥梁耦合振动模型，通过Newmark积分进行求解，采用Fortran语言编写相应计算程序，研究了静风荷载和脉动风荷载作用效应、结构非线性因素等对桥梁振动响应的作用规律。. 其次，由于降雪会造成行车环境的显著变化，对结冰路面、冰水路面、积雪路面的摩擦系数进行测试，考虑侧滑力的影响建立公路货运车辆模型，通过几何关系、力学平衡将车辆与桥梁进行耦合，基于Matlab与ANSYS平台数据的互相调用，采用全过程迭代法计算了冰雪环境中车-桥耦合系统的振动响应。. 最后，考虑乘客与车体的振动并不完全同步，建立了由桥梁模型、车辆模型和多排乘客模型组成的耦合振动系统，通过拉格朗日方程推导系统动力平衡微分方程并编写相应计算程序，分析车辆及乘客振动响应间的差异，并采用北京地铁高架线路桥梁实测数据对模型的可靠性进行验证，进而对乘车舒适性进行评价。. 本课题既考虑积雪引起的路面条件变化，又分析了脉动风荷载对车桥系统的激励作用，同时关注车厢内乘客的乘车舒适性，建立了风-雪-列车-桥梁-乘客耦合振动模型，探索适用的高效积分方法和计算框架，编写相应仿真计算程序，建立车速、风速、积雪等因素与桥梁、列车、乘客振动响应的安全性、舒适性指标之间的动态关系，给出风雪场中合理的行车建议。本研究既可为高速铁路、公路及城市轨道交通的安全高效运营提供行车建议，又可为提高桥梁整体抗风雪能力奠定基础，具有重要的社会意义。