地面沉降区高速列车过桥动力学分析与安全判据研究

发布时间：2020-04-30 23:01

【摘要】：近几年,我国高速铁路飞速发展,包括高速列车车型推陈出新,列车运行速度不断提升,高速铁路网不断完善,高速铁路里程不断提高。但随着高速铁路网的密集,越来越多的高速铁路穿过因过渡开采地下水而形成的落水漏斗区。我国国土辽阔,地形复杂,为缓解工后沉降对高速列车安全平稳运行造成的影响,高速铁路多采用桥梁,其中京沪高速铁路的桥梁比例达到了80.5%。地面不均匀沉降会导致上部桥梁结构产生线形变化等病害,而梁体结构的线形变化会影响高速列车过桥安全性、平稳性。因此研究高速列车过桥安全性、平稳性,从而得出高速列车过桥行车安全判据显得十分重要。本文采用数值模拟的方法,首先分析了高速列车、无砟轨道、四跨简支梁桥、轨道高低不平顺的动力学模型,总结了京沪高铁济南到德州某段的地面不均匀沉降规律。通过Hertz弹性接触理论、弹簧-阻尼单元分别实现轮轨、桥轨之间的相互作用关系;计算并分析了桥墩沉降随地面沉降年限增加的规律,运用强迫位移法使地面不均匀沉降在高速列车-轨道-桥梁模型中实现;运用逆傅氏变化法生成了轨道随机不平顺时域样本,并将其导入到车-轨-桥模型中。其次,基于大型通用有限元分析软件ANSYS,应用APDL参数化建模技术建立了考虑地面不均匀沉降、轨道高低不平顺的高速列车-无砟轨道-桥梁三维可视化有限元模型。并将模型求解结果与已有成果进行对比,验证了模型的正确性。为了研究地面沉降区高速列车运行速度、地面沉降年限、列车运行方式改变对高速列车过桥安全性、平稳性的影响,提出了本文所设计的考虑列车运行速度改变(200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h)、列车运行方式改变(单线运行、双线运行)、沉降年限改变(0年、5年、10年、15年、20年)的设计工况,共包含50种工况。首先求解并研究高速列车在实际运营工况(地面未发生沉降、列车运行速度为300 km/h)下过桥,提取并分析了车体及桥梁的动力响应,得到列车、桥梁动力响应时程曲线。其次求解了50种设计工况,并将表征列车运行安全性、平稳性的车体动力响应(包括轮重减载率、车体垂向最大加速度、Sperling指数)进行分析。通过分析求解结果得出以下结论:(1)速度为影响高速列车过桥安全性、平稳性的最重要因素,为确保高速列车安全平稳过桥,应严格控制列车运行速度;(2)地面沉降年限会影响高速列车安全、平稳过桥,且该影响会随着列车运行速度增大而增大,因此应做好对高速铁路线路及附近区域地面沉降的监测;(3)列车运行方式也会影响高速列车安全、平稳过桥,且随着列车运行速度、地面沉降年限的增大该影响也会增大,因此在高速列车高速运行于沉降严重地区时应注意高速列车会车安全;(4)我国京沪高铁所运行的CRH 380号高速列车以300 km/h的速度过桥,在地面沉降年限为20年时,列车各项安全性、平稳性指标满足要求,即对地面不均匀沉降引起的桥梁线形变化有较大的安全储备;(5)当列车以400km/h的速度过桥,地面发生沉降时高速列车安全性指标超出限值。本文研究成果可为京沪高速铁路穿越地面沉降区时的安全平稳过桥提供科学依据。本文创新点如下:(1)在单一平台建立、求解了考虑地面不均匀沉降的高速列车-轨道-简支梁桥动力学耦合模型。(2)深入研究了高速列车运行速度、列车运行方式、地面沉降年限对高速列车过桥安全性、平稳性的影响规律,提出了地面沉降区高速列车过桥行车安全判据。
【图文】：

示意图,高速铁路网,示意图,高速铁路

但其运行速度仍然没有超过 200 km/h。2003 年，中国第一条客沈快速客运专线正式开通运营，设计运营速度 200 km/h，试验列车在速度达到 321.5 km/h。2008 年 8 月 1 日，我国第一条具有自主知识产的高速铁路——京津城际高速铁路开通运行，标志着我国正式跻身世其最高运营时速可达350 km/h。2010年6月底开通的京沪高速铁路全长 2209 亿元，设计时速为 350 km/h，是世界上建成线路最长、投资最的高速铁路。2010 年 12 月，我国自主研发的“和谐号”CRH 380 高沪高铁枣庄至蚌埠段试行，最高试验时速达到 394.3 公里，再次刷新最高速。这一速度又一次证明中国高铁已全面领先世界。2017 年 6 月院常务会议，原则通过了《中长期铁路网规划》，即到 2030 年，我国将达到 3 万 km，覆盖 80%以上的大城市（Zeng et al., 2017），，形成“路网”如图 1 所示。

线图,漏斗区,地面沉降,线图

1.1.2 研究意义我国地下水超采形成的漏斗沉降区，致使地面塌陷、地上结构损毁，已严重影响国土安全（徐明伟等，2015）。据不完全统计，目前我国存在 50 多个城市存在地面沉降，沉降面积 48655 km2。地面沉降会直接或间接导致桥梁墩台沉降从而严重影响高铁列车安全、平稳运行。李国和等通过数值模拟及实测数据（李国和等，2008；李国和等，2009）研究表明：地面的不均匀沉降会导致上部桥梁结构的变形，桥梁变形的发展与地面不均匀沉降相对应。由于高速列车运行时对桥上线路平顺性要求高，特别是采用无砟轨道技术后，对桥梁的变形限值提出了更高要求，而高速铁路线路最密集的东部地区恰恰是地下水过度开采而形成地面不均匀沉降最严重的地区，以京沪高铁通过的山东地区为例，如图 2（a）、（b）所示分别为华北地区地面沉降漏斗分布及京沪高铁所经过的各地区路线图，其中京沪高铁通过的济南、德州段均为地下水超采区，威胁着高铁运营安全。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441;U270.11

【参考文献】