考虑随机场的盾构下穿条件下既有高铁交会行车安全性

针对路基段高铁行车安全分析常将地基土视作具有确定性参数的介质的问题,文中基于随机场理论,将地基土视为具有纵向一致性的三维介质,建立了盾构下穿既有高铁的数值模型,并基于数论选点方法模拟地基土横截面的参数随机性。为更进一步研究盾构下穿高速铁路对高铁行车安全性的影响,文中建立了31自由度的高铁列车模型,结合Fluent 3D流体仿真软件和动网格技术,获得了高速列车的气动荷载时程曲线。基于概率密度演化理论分析了高铁列车以300、350和400 km/h的速度交会时的脱轨系数及其概率密度演化信息。结果表明:随机场的存在使得车辆的轮重减载率和脱轨系数具有一定的概率分布范围;在气动荷载和隧道下穿引起的既有高铁线路基变形影响下,垂向轮轨力曲线有明显的波动情况;轮重减载率最大值出现在地表沉降最大值两侧的下降段;垂向气动荷载大于横向气动荷载;随着车速的增加,轮重减载率及脱轨系数的各上限均在逐渐增大,为保证高铁交会行车的安全性,建议在盾构下穿既有线地段的高铁列车运行速度应不超过300 km/h。

落石冲击作用下西部山区铁路简支箱梁桥行车安全性研究

为研究落石冲击作用对铁路桥梁行车安全性的影响规律,以西部山区某铁路简支箱梁桥为研究对象,建立充分考虑材料非线性和接触非线性的落石冲击桥梁仿真分析模型和列车-轨道-桥梁耦合动力分析模型;阐明落石冲击桥墩工况下落石冲击力特征,分析落石冲击作用下桥上行车安全性能,并揭示落石冲击速度、冲击角度、冲击高度和落石直径对行车安全性的影响规律。研究结论如下:(1)落石冲击力的峰值随着落石速度、落石直径的增大而增大,落石冲击高度和冲击角度几乎不影响落石冲击力峰值;(2)落石直径的增大会扩大桥墩结构破坏范围,表现为多个冲击力峰值的出现和冲击力时程的延长;(3)落石冲击速度越快,冲击能量越大,对桥上行车安全影响越大,落石冲击高度越接近墩顶、落石直径越大,列车横向动力响应越大,对桥上行车安全威胁越大;(4)落石冲击角度各工况下列车各项安全评价指标时程曲线变化规律相似,对桥上行车安全影响变化较小;(5)轮重减载率对落石直径和冲击高度十分敏感,轮重减载率在落石直径达到2.5 m时超出规范限值。研究成果可为西部山区铁路桥梁全寿命周期的设计和安全运维提供参考。

隧道内无砟轨道上拱变形特征及行车安全性研究

为评估高铁隧道内无砟轨道上拱变形对行车安全性的影响,基于实测数据获得无砟轨道上拱变形特征,从而建立仰拱填充层-无砟轨道-车辆系统动力学计算模型。利用计算模型获得不同无砟轨道上拱变形特征对车辆动力响应的影响,进而评估高速行车安全性。结果表明:高铁隧道内无砟轨道上拱变形的实测波长主要范围为3~30 m,幅值主要范围为0~8 mm,其中,以波长10 m、幅值2 mm的上拱变形为主。上拱波长不超过6 m时轮轨力峰值较大,上拱波长在12 m左右时车体垂向加速度峰值较大。波长6 m左右的上拱变形对高速行车安全性的影响显著,具有一定的脱轨风险,应重点关注。

潍莱铁路钢桁桥车桥耦合振动分析及行车安全性评估

为准确分析高速铁路钢桁梁桥的动力特征和实际运营安全性,基于车-桥耦合振动理论和有限元模拟方法,对潍莱铁路跨青荣特大桥进行车桥耦合振动分析和行车安全性评估。首先,采用ANSYS有限元软件建立潍莱铁路钢桁桥全桥有限元模型;其次,基于十自由度垂向车辆动力学模型开展钢桁桥—高速列车耦合动力分析,得到桥梁主桁下弦节点挠度和主桁杆件应力的动态响应,并且与施加移动静荷载得到的静力过桥模式下桥梁响应结果进行对比,计算得出主桁下弦节点挠度和主桁杆件应力的冲击系数。最后,针对车体振动加速度、脱轨系数和横向轮轨力3项行车安全性指标进行分析,得到桥梁在实际运营工况下的行车安全状态。研究结果表明:铁路钢桁梁桥在列车荷载作用下,桥梁主桁的下弦节点挠度响应和主桁杆件应力响应都会增大;桥梁主桁下弦节点挠度冲击系数均小于0.04,节点之间挠度冲击系数差异较小;桥梁主桁应力冲击系数最大值为0.697,主桁各部分应力冲击系数存在较大差异,所以在桥梁设计时要充分考虑应力冲击系数放大效应;车体振动加速度、脱轨系数和横向轮轨力3项行车安全性指标均符合规范要求,桥梁满足实际运营条件。研究成果可为同类型铁路钢桁梁桥的动力分析与行车安全性评估提供参考。

基底脱空条件下铁路隧道行车安全性分析

结合大瑶山隧道基底病害,在混凝土塑性损伤本构模型基础上,建立隧道-围岩相互作用动力计算模型,研究基底脱空对铁路隧道行车安全的影响。结果表明:随隧道基底脱空距离增加,隧道底部结构动力响应和损伤增大,且脱空距离超过一定深度后变化加剧;对于内侧单边脱空、两侧对称脱空和中间扩展脱空方式,当脱空距离分别达60、60、180cm时,需采取限速、加固等措施保证隧道行车安全。各脱空方式中,以两端向中间脱空方式所受影响最大。在该脱空方式下,当脱空距离从0cm增加到90cm时,底部结构竖向位移最大增幅达1.5倍;加速度最大增幅达17.2倍;主应力最大增幅达3.2倍;损伤值最大增幅达1.4倍。当脱空距离达120cm时,底部结构已发生破坏。可见,基底脱空对结构稳定和受力极为不利,将加剧结构损伤破坏。研究结果可为铁路隧道行车安全性评价和基底脱空整治提供参考。

特长隧道出入口驾驶员生理负荷与行车安全性研究

为探究驾驶员在特长隧道出入口的生理负荷特性,选择10位驾驶员进行实车试验,利用眼动仪和生理仪采集驾驶员在特长隧道出入口的瞳孔面积、心率和呼吸频率等生理指标数据。将隧道出入口划分为入口内、入口外、出口内和出口外4个区段,并利用单因素方差分析探究各项生理指标在隧道出入口不同区段的差异显著性,进而采用基于熵权法的模糊综合分析法量化不同区段的整体生理负荷大小。结果表明:1)瞳孔面积、心率和呼吸频率3个指标在特长隧道的4个不同区段均具有总体显著性差异,由模糊综合评价得到入口内的整体生理负荷最大,其次是出口内,出口外和入口外的生理负荷均较小;2)驾驶员在特长隧道的暗适应距离大于规范规定的入口段加强照明长度,增大了行车安全风险。

风环境下高墩大跨连续刚构桥的行车安全性分析

基于风-车-桥耦合系统振动理论,建立风-车-桥耦合系统的运动方程。运用自编风-车-桥耦合程序,计算不同路面、不同车速和不同风速下车轮竖向接触力,分析路面等级、车速和风速对车辆行驶安全性的影响;以车轮折算压力为标准,采用概率统计方法建立车辆侧滑和侧倾事故模型,提高事故分析的可靠性,并结合工程实例,对风环境下车辆的动力响应进行了分析。计算了车辆行驶在不同车速下侧倾临界风速、不同风速下侧倾临界车速和4种不同路面状况下侧滑临界风速,为车辆在桥上行驶安全风速和车速确定提供依据。

非一致地震激励下列车—轨道—桥梁耦合振动及行车安全性研究

地震在影响桥梁结构本身安全性的同时，还会威胁其上列车的行车安全。对于高速铁路桥梁，除需满足桥梁抗震之外，还应确保地震时过桥车辆的行车安全性。理论研究和震害经验都表明，地震动具有空间变异性，包括行波效应、失相干效应、局部场地效应和衰减效应。因此，针对高速铁路桥梁，开展非一致地震激励下的列车一轨道一桥梁耦合振动及桥上列车的行车安全性研究，主要研究内容和结论如下。

机动车驾驶员场依存性和速度估计能力对行车安全性的影响

分析了事故与无事故机动车驾驶员在场依存性和速度估计能力方面的差异。结果表明：事故驾驶员场依存的程度显著大于无事故驾驶员；事故驾驶员在速度估计能力测验中的估计误差显著大于无事故驾驶员，并且事故驾驶员比无事故驾驶员有显著的过早反应倾向。因此，场依存性和速度估计能力可作为驾驶适宜性检查的重要心理素质指标。

地震作用下基于场地条件的高速列车行车安全性

针对地震作用下高速列车行车安全性问题,基于多体动力学理论,采用多体动力学软件SIMPACK建立高速铁路车辆模型。采用日本实测地震数据,以脱轨系数、动态轮重减载率、轮轴横向力作为安全性评价指标,从车辆动态行为角度分析不同场地条件下列车速度、横向加速度峰值、垂-横向峰值加速度比对列车行车安全性的影响。研究结果表明:地震作用下列车行驶速度、横向加速度峰值、场地条件对列车行车安全性有显著影响;列车在Ⅲ类场地上行车安全性最差,而在Ⅰ类场地上最好;垂-横向峰值加速度比超过0.67以后,垂向激励对列车行车安全性有显著影响。建议高速铁路地震报警阈值的选取应基于场地条件,且应考虑近场地震作用下垂向激励的影响。

轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道行车安全性影响研究

为探究弹性支承块式无砟轨道在重载铁路中的适用性,以蒙华铁路隧道应用的弹性支承块式无砟轨道为例,开展重载列车作用下轨下支承刚度对弹性支承块式无砟轨道轨道行车安全性影响研究,以期为大轴重下无砟轨道结构选型及设计提供参考意见。通过建立重载列车—弹性支承块式无砟轨道结构动力学精细化耦合模型,设置不同轨下竖向刚度与轨下横向刚度工况,分析重载列车轮轨竖向力、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率以及磨耗指数等行车安全性指标变化,并提出合理的轨下支承刚度取值范围。研究结果表明:轨下支承刚度变化主要影响车轮与钢轨间的接触状态,从而影响轮轨接触斑区域及该区域内局部应力状态。随着通行总重量增加,轨下竖向刚度会逐渐增加,因此轨下支承刚度应确保在较低范围内变化。对轨下支承刚度进行合理设置可以改善轮轨接触界面状态,还能够改善轮轨作用力分布,降低钢轨磨耗指数,增加重载铁路钢轨使用寿命。根据列车运行安全性指标变化情况考虑,轨下竖向支承刚度取120~160 kN/mm较为适宜,轨下横向支承刚度取160~200 kN/mm较为适宜,以保证重载铁路钢轨的合理使用寿命及降低换轨周期。

横风作用下桥上车辆侧倾行车安全性分析

强风是威胁桥上车辆行车安全的主要因素之一,开展横风作用下桥上通行车辆的行车安全性评估,对于减少车辆行车事故具有重要的意义。根据大型集装箱车和厢式货车的构造特性,基于虚功原理建立了24独立自由度的四轴拖挂车和13自由度的两轴车动力学分析模型。采用大比尺模型风洞试验技术,测试了考虑桥梁气动影响的车辆气动力系数。将自然风、车辆和桥梁作为统一的相互作用系统,在风-汽车-桥耦合振动研究的基础上,针对侧倾事故评判准则,提出采用动力稳定平衡方法来评估车辆的侧倾行车安全性。分析了风速、车速及路况条件等因素对车辆和桥梁动力响应及车辆侧倾临界风速的影响。分析结果表明:因受车体振动的影响,车体倾覆力矩随着风速和车速的变化呈现出一定的随机振动特性,最大倾覆力矩对车辆侧倾行车安全性评估起主导作用;采用动力稳定平衡方法获得的车辆的侧倾临界风速远低于侧倾安全因子法和静平衡估算法获得的侧倾临界风速,在车速为90km/h且路况为"好"时,集装箱车的侧倾临界风速为20m/s,厢式货车的侧倾临界风速为27.5m/s。

水泥混凝土路面行车安全性研究

交通运输部新修订的《公路水泥混凝土路面施工技术规范》JTG F30—2012即将出版颁布执行,为了提升对高速行车条件下水泥混凝土路面行驶安全性的理解和认识,较为系统地阐述了新规范中与行车安全性直接相关的抗滑构造深度及摩擦系数的施工要求、检验标准、抗滑恢复等新规定,期待未来我国在高速公路上建造更多、更安全、更经济、更耐久的水泥混凝土路面。

船撞作用下大跨度公铁两用斜拉桥行车安全性评估

船舶撞击作用下桥上列车运行安全性分析是桥梁工程领域关注的热点问题之一。在船舶撞击荷载作用下,大跨度铁路斜拉桥常会产生强烈的振动并导致其轨道结构的损伤,并危及桥上列车的运行安全性。目前针对公铁两用大跨度铁路斜拉桥船舶撞击荷载作用下桥上列车行车安全性的相关研究鲜少。因此,本文以白居寺长江大桥为工程背景,分析了船撞桥梁动力响应及桥上列车运行安全性指标,研究了船撞荷载对大跨度斜拉桥列车走行安全性的影响。结果表明:船舶撞击会引起桥梁结构产生较大的横向振动,导致桥上梁轨相互作用加剧;船舶撞击会导致车体横向振动加剧,影响列车运行的平稳性;船舶撞击对桥上列车运行安全性指标影响明显。

地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁行车安全性分析

为研究地震作用下钢管混凝土组合桁梁-格构墩轻型桥梁的行车安全性,以干海子特大桥为研究对象,建立考虑地震作用的车桥耦合振动方程,并将计算方法添加到基于梁单元的双重非线性有限元程序NL_Beam3D中,实现地震作用下车桥系统相互作用的耦合计算。考虑车辆倾覆指标和桥梁横向变形的影响,进行行车安全性分析。结果表明:有限元计算得到的基频和不同车速下最大动挠度与实桥荷载试验得到的结果接近;与已有振动台试验结果相比,位移时程曲线形状吻合,位移幅值满足相似比关系,验证了计算模型和方法的有效性。柔性高墩轻型桥梁对地震波有滤波效应,地震波传至桥梁时强度明显减弱;最不利的重型货车的倾覆指标阈值大于E1多遇地震时的桥面最大横向加速度,即不存在车辆侧倾现象;墩顶位移满足设计要求,干海子特大桥行车安全性能良好。部分墩顶横向位移在地面峰值加速度达到1. 6倍E1多遇地震动时,将超过《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》给出的限值。桥面最大加速度在地面峰值加速度为2倍E1多遇地震动时,倾覆指标阈值小于桥面最大横向加速度,重型货车存在倾覆可能;对应的桥墩墩顶最大横向位移与墩高比例系数达1/198,大于指南限值1/300,说明该指南对桥墩墩顶位移限值规定相对比较保守。

高海拔峡谷地带高墩桥梁风致行车安全性分析

针对青海高海拔地区峡谷地带高墩桥梁行车抗风性能,采用CFD软件Fluent对典型厢式货车进行了车辆一桥梁组合气动特性分析,分别获取了在不同风攻角情况下的车辆、桥梁的气动参数曲线,在此基础上开展了不同路况、路面条件及不同横风风速下的风车桥响应分析和评价,得到对应的限速运营标准。研究结果表明:在100 km/h车速范围内,车辆沿着不同路况等级"干"路面行驶时,车辆行车临界风速均大于35 m/s。在100 km/h车速范围内,车辆沿路况等级为"非常好"和"好"的"湿"路面行驶时,车辆的行车临界风速为30 m/s,路况等级为"一般"时,行车临界风速和车速分别为30 m/s和90 km/h,表明车辆行车安全临界风速和车速均会随着道路等级的变差而降低;在路况等级为"非常好"和"好"时,在给定的风速(15~35 m/s)和车速(60~100 km/h)范围内行驶时车辆均不会发生行车舒适性问题,当路况等级为"一般",车辆的行驶速度超过80 km/h时,车辆总体计权均方根加速度大于0.8时,桥上行车将会对驾乘人员产生不舒适的感受。

平直良好路段行车安全性分析

道路交通客观条件和驾驶员开车时的安全感这两个因素对行车安全会产生很大的影响,就二者的相互关系对行车安全的影响做了具体分析。尤其针对平直良好路段这种容易被驾驶员误认为是行车安全有保障的路段的行车安全性进行了重点分析,得出了平直良好路段并非行车安全路段的结论。

桥墩横向变位和基础刚度变化对高速铁路行车安全性的影响

以高速铁路32 m多跨简支箱梁为研究对象,采用车桥耦合动力求解方法分析了桥墩横向变位和基础刚度变化对行车安全性的影响。结果表明,墩顶横向变位的安全限值为40 mm,桥墩单独发生变位对行车安全性的影响小于多墩横向变位。跨中横向振幅和墩顶横向振幅随车速的变化具有一定随机性,采用限制车速的方法可有效提高列车运行安全性。桥梁运营安全性指标相较于列车运行安全性指标更加敏感,高速铁路桥梁刚度储备较大,桥墩、梁体、支座等其他构件会减小局部损伤对行车安全性的影响,在日常检查中需重点关注基础局部较大病害。

考虑地震动水力的高速铁路跨海斜拉桥行车安全性研究

基于铁路大系统原理,采用刚性柱法将地震动水力转换为节点附加质量,建立地震作用下列车-轨道-深水桥梁耦合振动模型,以某主跨400 m的双塔双索面半漂浮体系高速铁路跨海斜拉桥为例,分别建立考虑和不考虑地震动水力的桥梁有限元模型,通过输入3条实测地震波研究地震动水力对车桥系统动力响应的影响,在此基础上分析地震时该高速铁路跨海斜拉桥的行车安全性。结果表明:地震动水力会显著增大地震时斜拉桥主梁及其桥上钢轨的横向动力响应,而对其竖向动力响应几乎无影响;不考虑地震动水力会低估列车的行车安全性指标,地震动水力对高速铁路跨海斜拉桥行车安全的影响不可忽略。对于本文的计算条件,0.05g、0.10g、0.15g地震及其动水力作用下桥上列车的安全车速阈值分别为325、300、275 km/h。

地震作用下千米级高速铁路悬索桥行车安全性研究

为研究地震作用下超大跨铁路悬索桥桥上列车的行车安全问题,以某主跨为1 120 m的公铁两用悬索桥方案为研究对象,采用虚拟横梁法建立了全桥梁格模型,并通过板梁组合模型验证了梁格模型的正确性。在此基础上,通过输入7条地震波,采用自主编制的列车-轨道-桥梁-地震分析程序TTBSAS进行仿真计算,研究了一致激励、行波激励下悬索桥-列车系统的动力响应特征,分析了列车过桥时的行车安全性。结果表明:对于悬索桥-列车系统,地震对桥梁和轨道动力响应的影响大于车辆;横向地震除了使钢桁梁主梁及桥上轨道发生大幅横向振动外,还会诱发主梁的附加扭转振动;不考虑地震行波效应会严重低估列车的行车安全性指标。对于这些计算条件,桥上列车行车安全性研究的最不利行波波速为500 m/s,在0.15g设计地震作用下列车通过主跨1 120 m悬索桥时的安全车速阈值为300 km/h。