基于向量式有限元的大跨高速铁路桥梁风-车-轨-桥互制机理与失效全过程研究

China has entered an era of largely building long-span high-speed railway bridges. High-speed railway requires strictly on ride quality, while long-span bridges are prone to deformation and vibration under the combined effect of strong wind and high-speed train. The train and the bridge interact with each other by the wheel-track contact, and they make up an interactive system. So it is significant to study the interaction mechanics between strong wind, high-speed train, ballastless track and long-span bridges, as well as the entire process of failure, which is extremely helpful to represent the failure process, to determine the early-warning index, to evaluate the safety, and to develop the control measures. Existing studies are difficult to realize the whole-process simulation of the train derailing and capsizing and the bridge destroy. Vector form intrinsic finite element (VFIFE) is a new method to solve nonlinear and discontinuous mechanics behavior such as the large deformation and large displacement, elasto-plasticity, contact, collision, etc. it can be used to simulate the real behavior of the structure by simple and systematic program. This project intends to adopt the VFIFE method to establish the dynamic model of the wind - train - track - bridge coupled system, to simulate the whole-process of the train derailing and capsizing and the bridge destroy due to strong wind, and to develop a set of strong wind - high-speed train - ballastless track - large-span bridge coupling function and optimal control theory and technology system, to provides research basis and technical support to guarantee the safety efficiency of the high-speed railway under the strong wind in our country.

我国已开始大量兴建大跨高速铁路桥梁。高速列车对运行平稳性要求提高，而大跨桥梁在强风和高速列车的共同作用下更易产生变形和振动，二者通过轮轨接触，成为一个互制系统。为了保证列车运行安全和桥梁结构安全，必须对强风-高速列车-轨道-大跨桥梁之间的互制机理和失效全过程进行研究，以再现灾害过程，确定预警指标，判定安全状态，制定控制措施。现有研究难以实现列车脱轨倾覆和桥梁破坏全过程模拟。向量式有限元是求解大变形、大变位、弹塑性、接触、碰撞等非线性或不连续力学行为的新方法，可以通过简单而系统化的程序对结构真实行为进行模拟。本项目拟采用向量式有限元建立风-车-轨-桥耦合系统动力学模型，对高速列车于强风作用下在大跨桥梁上的脱轨倾覆和桥梁破坏全过程进行模拟，发展出一整套强风-高速列车-轨道-大跨桥梁耦合作用及其优化控制措施的理论和技术体系，为保障我国高速铁路在强风下的安全高效运行提供研究基础和技术支持。

随着我国高速铁路的快速发展，列车运行速度不断提高，铁路桥梁因需要跨越江河湖海跨度也不断增大。跨度大的桥梁在高速列车和强风的共同作用下更易产生大幅度振动和变形，从而导致桥梁的强度和行车安全性降低。为了保证列车运行安全和桥梁结构安全，必须对强风—高速列车—无砟轨道—大跨桥梁之间的互制机理和失效全过程进行研究，以再现灾害过程，确定预警指标，判定安全状态，制定控制措施。本项目提出了一种基于向量式有限元的强风-高速列车-大跨桥梁的互质行为分析平台。遵照研究计划，本项目出色地完成了预定研究任务，实现了预定研究目标。对车辆、轨道和桥梁采用向量式有限元进行建模，并通过数值模拟和风洞实验建立了车辆和桥梁的气动力模型；发展了一套基于向量式有限元的车-轨-桥耦合振动分析平台，分析了强风作用下，高速列车和大跨桥梁之间的互制行为，并且对车辆和桥梁进行了安全性评估，实现了列车在强风作用下脱轨倾覆的全过程模拟，并通过优化列车自身动力学参数、合理调整桥梁参数等控制措施以提高列车临界运行速度和安全运行临界风速。本项目发展出了一整套强风-高速列车-无砟轨道-大跨桥梁耦合作用及抗风控制措施的理论和技术体系，为提高我国高速铁路在强风下的安全、高效运行提供技术保障。成果可以扩展和应用到各种形式的车-轨-桥耦合系统，以及不同荷载下的车-轨-桥耦合系统的互制行为分析和列车脱轨分析，为我国高速铁路的安全运营提供技术保障。本项目已取得科研成果 58项，其中论文 49篇(SCI 10篇、EI 1篇、其他核心期刊及国际会议论文38篇)，申请中国发明专利8项，已获授权美国家发明专利1项。组织或参与组织国际学术会议5次，参加国际学术会议60余人次(邀请报告15次)。博士生5人 (在读4人，毕业1人)，硕士生7人(在读3人，毕业4人)。