地震作用下车辆-轨道系统轮轨动态响应试验研究

为研究地震作用下高速铁路地震预警阈值,进行准静态全尺寸车辆-轨道模型振动台试验研究,对车辆轨道模型施加正弦地震波,试验结果显示《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》中所规定的轮重减载率限值和脱轨系数限值可能偏于保守,且导致列车脱轨的原因是由于地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动,引起车轮发生水平向晃动,致使车辆发生侧向滚摆运动所造成的;接着对车辆轨道模型施加实测地震波,试验结果表明地震波频谱特性对列车运行安全有一定的影响;对车辆轨道模型同时施加水平向和垂向地震波,发现对车辆轨道系统动力响应影响较大的为水平向地震波,垂向地震波则对其影响较小;根据振动台试验模型建立与之对应的多刚体、多自由度三维车辆-轨道数值模型,研究当考虑轨道不平顺时,地震作用下不同车速对列车轮动动力响应的影响,通过数据分析表明,在一定范围内,地震作用下的列车脱轨与列车速度关系不大,为高速铁路地震预警阈值的研究提供了一定的理论依据。

受周边地上建筑影响地铁车站的抗震设计方法

基于地上建筑-土-地铁车站整体模型的动态平衡特性,分析得到地上建筑对地铁车站地震响应影响的机制,并以此为依据进一步推导出受周边建筑影响地铁车站的简化抗震设计方法。取包含地铁车站和地上建筑的近场进行动态平衡分析,并将其与仅有车站的情况进行对比,得到地上建筑的地震作用力通过基础和场地的传递最终作用在地铁车站上,从而引起车站地震响应的变化。由于地上建筑的地震作用力主要为惯性力,且该作用力可由反应谱法进行计算,以此为基础可简化地铁车站的地震响应分析,得到一种简化抗震设计方法。该方法采用拟静力建模计算地铁车站动力响应,能大幅度地减少分析时间。与此同时,为了验证该方法的正确性并分析其计算精度,建立了一系列数值模型试验进行分析。计算结果表明:以动力时程的结果为基准,简化方法在计算结构内力响应时误差能控制在7%以内;而计算结构顶底相对变形的误差均在5%以内,由此得到简化方法是一种计算精度较高的方法。

利用双参数地基模型修正反应位移法弹簧

为得到一种模型简单、计算精度高,且能更好反映土-结构相互作用的地下结构抗震设计方法,根据双参数地基模型的原理,用比传统单参数模型更加接近土体性质的双参数模型简化土体,并根据受力和变形特性对双参数计算模型进行简化,最终得到能考虑土体间相互作用的修正反应位移法.修正方法计算模型与传统反应位移法相比,仅仅是法向弹簧的基床系数进行了一定的修正,仍然是一种模型简单的计算方法.建立数值模型进行分析,以动力时程计算结果为基准,并与传统反应位移法作对比验证修正方法的正确性.结果表明,相比传统采用离散弹簧模拟土体的反应位移法,修正方法的内力及变形误差能减小一半左右,由此得到修正方法是一种模型简单且计算精度较高的设计方法,能够应用到地下结构抗震设计中.

考虑土与结构相互作用的建筑地下室抗震设计方法

为了在结构设计中能综合考虑周边场地及上部结构对建筑地下室的作用,提出了一种新的建筑地下室抗震设计方法.首先将地上结构对地下室的影响简化为地震力,并基于动态平衡分析及抗震设计中往往关注结构响应峰值的特点,将地下室在地震作用下的动态平衡方程简化为拟静力方程;然后根据拟静力方程推导出新的抗震设计方法.采用数值模型试验验证新方法的正确性并探究其计算精度.结果表明:由于反应谱法和反应位移法未考虑场地和地上结构的作用,其计算结果一般偏小,部分位置内力最大误差达到-95%,设计偏于危险;新方法综合两者的优点,其变形和内力误差能分别控制在5%和15%以内,是更加精确的建筑地下室抗震设计方法.

十字交叉型地铁车站结构的振动台试验研究

随着近些年地下轨道交通的发展,十字交叉型地铁车站广泛的应用在实际工程中,了解并提高此类地铁车站的抗震性能具有重要意义。首次利用振动台试验的方法探究此类地铁车站结构,揭示了地震动在场地中的传播特性以及十字交叉型车站结构的地震响应特性,尤其是车站交叉换乘连接段对车站整体结构的抗震性能的影响。结果表明:地震波的传播受到场地特性影响明显,尤其是与场地卓越频率相近的部分,响应频谱被明显放大;随着地震动增强,场地的放大效应会有所减弱,但是场地的加速度响应放大谱的分布更加丰富,在拓宽场地响应频谱范围的同时也提高了地铁车站的地震风险。与此同时,在不同工况条件下车站结构模型的交叉换乘段对车站整体结构的影响基本在1.5倍的结构宽度以内,当距离超过该范围后,结构模型不再受其影响。与单体车站相比,此类车站交叉换乘连接段的底层结构更不利于抗震。上述结论可为了解并提高此类地铁车站的地震响应特性以及后续的抗震设计提供了有力支持。

地震作用下相邻地下结构与土相互作用特性研究

针对简单框架式地铁车站结构的抗震特性研究已取得一定成果,但对于结构形式较复杂或多个地下结构间相互作用等问题仍需进一步探究。本文利用现有地震分析方法中的动力时程分析法对两个地下结构间相互作用的影响进行系统对比分析,其中主体结构为三层三跨车站、附属结构为两层三跨车站。主要探讨附属结构与主体结构间距离的变化、两结构间连接形式对场地土以及主体结构地震响应特性的影响,分析比较场地土变形、主体结构变形、层间位移角以及内力在不同工况下的地震响应特性。结果表明:相邻地下结构与土相互作用形式较独立结构与土相互作用形式对场地土影响更加明显;当附属结构与主体结构间距离超过两倍结构宽度,附属结构对主体结构周围场地变形影响效应可基本忽略;同样当附属结构与主体结构间距离超过两倍的结构宽度,附属结构对主体结构的变形、内力基本已无影响,因此地震情况下相邻结构间相互作用影响范围基本为两倍结构宽度。与此同时,附属结构的存在对于主体结构抗震特性是不利的,不同连接形式中单层通道连接的形式变形以及内力方面均小于双层通道连接形式。

无缝换乘地铁车站的地震响应特性研究

为探究无缝换乘地铁车站的地震响应特性,提高对此类车站结构抗震性能的认识,首先开展此类车站结构缩尺模型的振动台试验.试验方案设计包括试验模型的制备、试验测点的布设与采集、试验加载工况设计;随后对模型试验过程进行三维有限元数值模拟.通过对比数值模拟与实测结果,分析模型土的加速度响应规律、结构模型的应变和内力响应规律以及侧墙上的土压力响应规律.结果表明:数值结果与实测结果吻合较好,验证了本文建模方法的合理性;对于无缝换乘地铁车站结构模型,车站交叉端部对车站结构构件的变形、内力以及周围土层影响明显,而当与车站交叉端部的距离超过1.5倍的车站结构宽度以后,影响基本消失.上述结论可为复杂地铁车站地震分析的三维计算方法以及此类型车站结构的抗震设计提供有力支持.