波流-地震联合作用下高速铁路深水桥梁动力响应及行车安全控制研究

Earthquake cause vibration of high-speed railway deep-water bridge violently and threaten the running safety of the train on bridge. Based on the principle of large scale coupling system and through simplifying the interaction models of wave current-seismic-pier and developing the unit module, this project sets up a new coupling vibration model of train-track-bridge with wave current and seismic dynamic boundary. In this model, the train, track, bridge, seismic and wave-current are considered as a unified system, and the explicit-implicit mixed integral method with variable step size is developed to improve the solving efficiency based on the dynamic characteristic distinction. After that, based on the sensitivity analysis, the control parameters of wave current field and seismic field are confirmed, and the dynamic response characteristics of the coupled systems are revealed. At last, based on the correlation analysis, the empirical formulas of control parameter value with the basic frequency of structure and the calculation method of running safety limits for high-speed railway train running over the deep-water bridge are put forward, and the failure mechanism of high-speed railway deep-water bridge-train systems is revealed. The achievement will make a good reference to the running safety control theory and engineering application of high-speed railway deep-water bridge subjected to wave current and seismic excitations.

地震致使高速铁路深水桥梁剧烈振动并威胁其上列车的行车安全。本课题基于耦合大系统原理，将列车、轨道、桥梁、地震力、波流力作为统一系统，在原有列车-轨道-桥梁动力模型的基础上考虑波流-地震联合作用，通过简化波流-地震-桥墩相互作用模型，编制仿真分析模块，建立可考虑波流-地震动力学边界的列车-轨道-深水桥梁耦合振动分析程序，并基于耦合系统的动力特征分区，开发变步长显式-隐式混合积分算法来提高求解效率；基于灵敏度分析，明确波流-地震联合作用场的控制参数，揭示波流-地震联合作用下高速铁路列车-轨道-深水桥梁系统的动力响应特征；基于相关性分析，得到波流-地震联合作用场控制参数随桥梁结构主频变化的经验公式，提出高速铁路深水桥梁桥上列车的行车安全界限计算方法，揭示高速铁路深水桥梁-列车系统的动力破坏机理。本项目的研究成果可为波流-地震联合作用下高速铁路深水桥梁桥上列车的行车安全控制及工程应用提供科学依据。

地震时高速铁路深水桥梁面临地震力、地震附加动水力、波浪力、水流力等荷载的联合作用，会致使高速铁路深水桥梁剧烈振动并威胁其上列车的行车安全，如何确保高速铁路深水桥梁桥上列车的行车安全是目前亟待解决的关键性技术难题。本课题基于铁路耦合大系统原理，将列车、轨道、桥梁、地震力、波浪力作为统一系统，在原有列车-轨道-桥梁动力模型的基础上考虑波浪-地震联合作用，通过波浪-地震-桥墩相互作用模型，编制仿真分析模块，建立了可考虑波浪-地震动力学边界的列车-轨道-深水桥梁耦合振动分析程序，在此基础上研究了单独地震附加动水力、波浪力、波浪-地震联合作用对高速铁路深水桥梁车桥系统动力响应的影响，同时弄清了波浪-地震联合作用对桥上列车行车安全性的影响。研究表明：①地震动水力对高速铁路跨海斜拉桥及桥上钢轨的横向动力响应影响显著，而对其竖向动力响应几乎无影响。对于高速铁路跨海斜拉桥，不考虑地震动水力会使桥上列车的行车安全性指标偏小，其中列车的脱轨系数、轮重减载率和轮对横向力会分别偏小4.5%、4.4%和6.0%；②波浪单独作用时，随着波浪重现期的增大，车桥系统的横向动力响应均增加而竖向动力响应几乎不变，波浪荷载会显著降低列车的乘坐舒适性并显著增加桥上列车的脱轨风险；③对于高速铁路跨海斜拉桥，考虑波浪-地震联合作用十分必要，相比地震单独作用工况，100年重现期波浪-地震联合作用工况下的三项列车行车安全性指标的平均增幅为13.8%、12.5%和10.6%；④对于高速铁路跨海斜拉桥，地震是影响桥上列车行车安全的主要因素，但当考虑波浪-地震联合作用后桥上列车的行车安全性会进一步降低。综合三项列车行车安全性指标，单独地震作用下，该高速铁路跨海斜拉桥的安全车速阈值为250km/h；而一般波浪-地震联合作用和极端波浪-地震联合作用下桥上列车的轮对横向力会超限，计算范围内无安全车速阈值。本项目的研究成果可为高速铁路深水桥梁的行车安全控制及工程应用提供理论支撑。