1、 汽车撞击荷载及其作用下高速列车与桥梁系统动力响应与列车运行安全研究1 绪论1.1 研究背景1.1.1 高速铁路的发展高速铁路具有速度快、能耗少、安全、舒适等特点，是当代科技发展的必然产物。1964 年世界第一条高速铁路日本东海道新干线建成开通之后，以日本、德国、法国、西班牙和意大利等一些国家为代表的高速铁路技术不断提高和完善，并在 20 世纪末以来得到了迅速发展。我国高速铁路从 20 世纪 90 年代以来发展迅速，截至 2014 年底，在全国 11 万公里铁路运营总里程中，高速铁路已经超过 1.6 万公里。2014 年 12 月 26 円，兰新、贵广和南广三条高速铁路同 F1开通，成为历年来
2、高铁幵通最多的一天，使得时速 250 km 以上的高铁运营总里程一下增加了 3210km。根据规划，到 2015 年底，我国大陆高铁运营里程总计将达到 19915 km，再加上台湾省（台）北（高）雄高铁 345 km,中国高速铁路总营业里程将达到20260km。“一带一路”经济发展战略中，高速铁路是从路上贯穿欧亚大陆的代表性交通工具，这也必将进一步促进高铁的发展，图1.1 给出了截止统计日期为 2015 年 2 月 4 日的中国高速铁路最新运营线路图。桥梁是构建高速铁路的重要基础设施的咽喉，也是铁路建设的关键性技术，特别是对于时速 200 km 以上的高速铁路（包括客运专线、城际铁路），通常采
3、用全封闭的行车模式，要求轨道的高平顺性，线路平纵面参数限制格外严格，直接导致了线路中桥梁所占比例大幅增加例如在沪宁杭等人口稠密地区和西南、西北等地质不良基础地段，为了跨越既有交通路网，节约国家土地资源，避免高路堤出现的不均勻沉降，大量采用高架线路。图 1.2 和图 1.3 分别列出了国外和中国的高速铁路及其对应线路中的桥梁工程概况，图中数字表示各条线路桥梁总长度占线路总长度的百分比。从图 1.2 中不难看出国外高速铁路桥梁比例最高的是日本，其上越新干线和东北新干线桥梁累计长度占全线总长的比例分别高达 61.5%和58.1%，法国 TVG 东南延长线也占 32.3%，韩国的汉城一爸山高速铁路占
4、27.1%。从图 1.3 中可以看出，在我国高速铁路中桥梁比例更高：武广高速铁路桥梁长度占全线正线总长的比例为 48.1%，哈大客运专线则为 714%，京沪高速铁路占 80.5%，京津城际铁路所占比例高达 87.7%,沪杭城际铁路为 90%，广珠城际铁路更是历史性达到了 94.2%。1.1.2 汽车撞击引起的桥梁破坏对跨越河流、海湾以及其他公路、铁路等线路来说，桥梁是一种必要和可行的结构形式。反过来看，桥梁也可以被看成是一种人为的交通障碍。随着桥梁建设的快速发展，以及公路、铁路交通的 R 益繁忙，在现役桥梁中，发生了多起因由于车辆撞击而影响线路交通甚至是桥梁直接倒塌的事故。有诸多原因会导致桥梁
5、倒塌，其大致可以归为两类：人为因素和自然因素。人为因素可再分为设计失误、施工失误、船舶撞击、火车撞击、汽车撞击、超载、设计（知识）水平限制、故意破坏等；自然因素又可再分为地震、风雨、洪水、漂流物撞击、环境恶化以及其他未知因素等。文献16对世界上 66个国家 502 座桥梁倒塌事故进行了分类统计，如图 1.4 所示。可以看出，船舶、火车、汽车、漂流物等撞击引起的桥梁倒塌事故合计近 90 起，其中汽车掩击近 20 起，是我们不可忽视的一种诱因。在我国大陆，汽车撞击铁路桥梁事故也时有发生。2008 年 10 月 15日,新疆一辆重型自卸车在河滩快速公路上行驶至跨线铁路桥时，不慎将翻斗升起，撞在梁上，
6、事故使铁路桥梁前移约 0.5m，有一列货运列车因此停在桥头等待线路修复，如图 1.11(3)所示； 2009 年 2月 8 日，新菏下行线古固寨至新乡东站间 K12+031 桥的限高架及桥栏杆托架被附加拖挂车辆的斯堪尼亚集装箱式卡车掩坏，下行桥南侧第一道限高架横梁撞飞，横梁将桥梁部分栏杆、托架及步行板硒坏，第二道限高架也被撞坏，对过往列车运行安全造成巨大隐患，如图 1.11（b）所示。1.2 车桥耦合振动问题基本研究方法车激桥梁振动问题的研究通常分为古典理论研究和现代理论研究两个阶段。20 世纪 6070 年代属于古典理论研究阶段，在这之前由于计算机普遍率较低，简化的模型理论分析是车辆和桥梁的
7、锅合振动研究的主要手段，此方法基本上不考虑车辆和桥梁之间的耦合关系，车辆的模拟也先后经历了移动常量力、移动简谐力、移动质量和移动黃上质量等几种简化阶段，研究过程中基本上是以给出简支梁结构的竖向动力响应的解析解和半解析解为主。由于模型简化过多，计算手段受限制，古典理论的计算结果在实际应用中存在很多不完善的地方。20 世纪 60、70 年代以后，被称之为现代理论研究阶段，这个阶段中伴随着计算机技术和有限元分析理论的发展，加之试验测试技术和试验方法的不断进步，车辆和桥梁锅合振动的研究有了飞速的发展，车辆和桥梁的力学模型更为精细、车辆和桥梁的耦合关系、激励源的模拟生成以及计算方法都有了质的飞跃。特别是
8、自从 R 本和法国、德国、比利时、西班牙等欧洲国家幵始修建高速铁路，各国均加大了对车辆和桥梁耦合振动的研究力度和深度，使得车辆和桥梁耦合振动工程应用 R 趋完善和成熟。下面简要介绍伴随着车辆和桥梁耦合振动研究发展的车辆模型、桥梁模型、轮轨关系以及数值计算方法的发展和研究最新动态。(1)车辆模型车辆模型一开始被简化为移动力和移动质量，后来逐步完善到考虑车体、转向架和轮对的多刚体模型，在国外比较完善的力学模型和运动方程由松浦章夫、M.H. Bhatti、T.L. Wang、K.H. Chu、以及 G Diana 等人建立的。特别是在 1989 年，G Diana 将每节车辆单元简化成 7 个刚体，
9、其中包括车体自身、2 个前后转向架和 4 个前后转向架下的轮对，它们之间是通过弹簧和阻尼器连接的，每节车辆单元的车体和转向架均包含 5 个自由度，从而建立起了具有 23 个自由度集中质量车辆模型，这标志着较精细车辆模型应用于车桥动力相互作用分析的幵始。图 1.23 给出了车辆模型的总体的演变过程。在国内，上海铁道大学（现同济大学）的曹雪琴等在车桥竖向动力耦合分析曾考虑采用 6 个方向的自由度的车辆模型，即车体以及前后两个转向架的浮沉和点头运动，假定轮对变形与轨道（或桥梁）是一致的。北京交通大学的夏禾、陈英俊等对车桥横向动力分析曾考虑采用车体和前后转向架的横摆、侧滚与摇头、轮对的横摆和摇头总计共
10、 17 个自由度的车辆模型，以分析地震荷载下桥上列车行车安全性问题。虽然车辆动力学的研究结果表明，车辆竖向与横向振动之间是比较弱的锅合作用，但是随着计算机技术的迅速发展，目前国内大部分学者依然倾向于建立车辆空间振动模型。中南大学的曾庆元、郭向荣等，西南交通大学的强士中、李小珍等以及翟婉明、蔡成标等学者，中国铁道科学研究院的潘佳英、高芒芒等研究员都建立了车辆空间振动模型。这些车辆模型差异很小，总体可以概括为将车辆分为车体、转向架和轮对等几个刚体，并且通过一系和二系悬挂装置进行连接。2 汽车撞击荷载2.1 汽车模型与一般刚体或崩塌岩体撞击桥壤等情况不同的是，汽车（特别是车头部分）在撞击过程中产生变
11、形并吸收能量。为了能够模拟车头的变形吸能，汽车模型采用由美国联邦高速公路（FHPLE_AIRBAG_MODEL 关键字定义了有限元轮胎里的气体压力，保持与实际车辆一致。在汽车模型中，车轮转动的模拟很重要。在 Ford 卡车模型中，不仅考虑了汽车的平动，也考虑了车轮的转动。同时引入车轮与地面的接触，在选项卡中给车轮施加角速度和速度，实现车轮在地面上的转动。除了上述外部模拟外，模型对于汽车内部构成的模拟也很丰富。例如车头外壳以及车头内部的发动机、散热器等构件。2.2 桥墩模型2.2.1 混凝土本构模型混凝土是由胶凝材料、骨料按适当比例配合，与水拌和制成的具有一定可塑性的建筑材料，在工程中用途广泛。
12、同时，混凝土结构经常处于复杂的多轴受力情况。在高应变率情况下，混凝土会产生脆性断裂并表现出与应变率相关的粘性效应。目前混凝土的主要动力学模型主要有 6 种，如表 2.2 所示。而根据不同的动力学模型，ANSYS/LS-DYNA 为有限元模拟提供多种混凝土模型供用户选用，如表 2.3 所示。在处理碰撞问题时，需要将应变率效应、失效准则和损伤效应考虑在内。众多 LS-DYNA 混凝土模型中具备这三条要求的模型有：伪张量模型、混凝土损伤模型、Brittle Damage 脆性损伤模型、H-J-C模型和 Schage 混凝土模型，即表格 2.3 中的 MAT_96 模型。Brittle Damage
13、本构基于损伤力学理论，它是能够能够模拟混凝土拉伸断裂等行为，也是一种复合的钢筋和混凝土材料，材料定义中包含配筋率选项，因而可以非常方便地定义钢筋和混凝土的材料属性，用来模拟钢筋混凝土实体单元模型是合适的，尤其是其整体式钢筋混凝土模型。Brittle Damage 本构的屈服函数公式如公式 2.1，其包括垂直裂缝的拉伸应力和顺沿裂缝的剪切应力：选择在役高速铁路双线圆端形桥墩作为汽车荷载撞击对象，相应详细尺寸参考“时速 350kni 客运专线铁路桥填通用图”参桥通（2006) 4308132。该桥填为客运专线专用桥墩，其中圆端中心距离长 7.6m，缴宽 3m，缴高 8m，桥缴尺寸如图 2.6 所示
14、。桥填釆用 C30 混凝土，纵筋采用 HRB335 钢筋，在建立模型时，对桥墩进行了简化，其中忽略了混凝土绝层、缴顶坡度以及排水孔道等细节的影响。桥墩的材料本构采用 Brittle Damage 模型。钢筋混凝土的单元选用SOUD164 单元，该模型是整体式钢筋混凝土模型的一种，在材料的定义中已经包含钢筋的力学参数。对于桥墩的边界条件，忽略桩基及土层对桥壤的影响，通过限制节点自由度的方式将桥壤固结在地面，模型基底约束情况如图 2.7 所示。以 Ford 卡车、C2500 皮卡、Dodge 轿车为例分别说明汽车与桥墩的撞击过程，车速均为 80km/h，撞击角度为正面碰撞，计算时间0.4s。定义汽
15、车与桥缴碰撞为“ASTS”(Area surface to surface)面面接触：车头是碰撞主面，桥缴侧面是碰撞从面。铁路混凝土桥壤截面尺寸很大，在轻型和中型卡车撞击下局部和整体破坏都相对较小，根据欧洲规范这是一种硬碰撞模型，即碰撞能量主要由车体吸收。3 汽车撞击荷载作用下车桥系统动力分析模型673.1 车辆模型673.1.1 基本假定683.1.2 车辆运动方程的建立703.2 轮轨关系744 模型实验研究934.1 实验目的934.2 实验平台934.3 实验测试设备975 现场实验研究1055.1 试验目的1055.2 测试设备1056 汽车撞击荷载作用下车桥动力响应及行车安全分析6
16、.1 京沪高铁 32m 简支梁桥及车辆计算参数6.1.1 桥梁参数及自振特性分析选用京沪高铁南京大胜关长江大桥南引桥（中心里程为 DK1002+563.00)作为算例进行研究，相关参数详见第五章 5.4 节。用ANSYS 软件建立桥梁的有限元模型，梁采用 beam44 单元模拟，桥缴采用 beaml88 单元模拟，阻尼比 5%，基础采用弹黃单元 binM 来模拟，整个模型共包括 1923 个节点、4651 个单元，桥梁的有限元模型见图 6.1。经过计算，本文第二章中已经得到了小型车 Dodge 轿车、轻型车C2500 皮卡、中型车 Ford 卡车以 60、80、100、120km/h 四种车速
17、撞击桥填的撞击力时程。对于重型卡车，美国碰撞研究中心尚未公开发布重型卡车模型代码，但是发布了汽车撞击桥填的力时程,这为我们初步研究重型卡车撞击桥墩提供了数据。Buth 等55采用约 30t的 SUT 标准卡车在约 65、80、95km/h 速度下撞击桥徵，撞击力峰值分别约 9.98、12.70、16.78MN, 为便于对比，根据上述撞击力时程按比例关系，绘制出 SUT 卡车以 120km/h 速度撞击桥缴力波形，峰值约为 21.77MN，相关撞击过程及撞击力时程详见图 6.4 和图 6.5。本节首先利用复杂模型计算 Ford 卡车以 1201cm/h 速度撞击桥梁，德国 ICE3 列车以 30
18、0lcm/h 速度驶过桥梁时桥梁的动力响应和列车运行安全指标，然后利用简化模型进行计算对应情况的桥梁响应和列车运行安全指标，最后对二者计算结果进行汇总对比分析，验证简化算法的有效性。可以看出列车集中力过桥时，桥梁振动完全由列车激起；列车集中力过桥并在桥缴 1.2m 遭遇汽车撞击时，主频是 2.47Hz，对应桥梁一阶横向主频 2.1Hz，大约在 30Hz 和 85Hz 时候，又有明显峰值，汽车撞击桥梁过程中具有高频成分。图 6.12 是计算的一节 ICE3 动车的第一个转向架第一个轮对的脱轨系数和轮轨横向力时程曲线，可以看出简化算法计算结果分别为 0.89 和 59.38kN，二者均超过限值。整
19、个时程曲线过程中，只有特定的时刻计算结果是超限的，超限时间比较短，除了峰值时刻其它时刻对应的安全运行指标不超限，说明的汽车撞击的荷载的持续时间短、峰值大的特点。7 结论与展望7.1 论文主要研究工作本文基于车桥耦合相互作用原理，针对汽车撞击桥梁过程及其作用下列车-桥梁动力响应和列车行车安全这一桥梁工程领域的前沿课题进行了研究，主要内容包括以下几个方面：(1)结合分类分析了引起桥梁振动的原因，对国内外桥梁结构遭受汽车撞击引发的重大事故进行了综述，并简述了车辆等撞击桥梁问题的研究历史和现状。分析了国内外车桥耦合振动研究情况，总结了车桥耦合问题的主要研究内容及其基本分析方法。阐述了研究汽车撞击荷载特
20、性及其引起桥梁振动和列车运行安全问题的必要性，阐述了论文的选题意义和立项依据。(2)运用 ANAYS/LS-DYNA 建立桥壤模型、桥梁模型，参照美国国家碰撞中心(NCAC)提供的中型 Ford 卡车、轻型 C2500 卡车、小型Dodge neno 轿车，实现车辆不同速度、角度、载重撞击桥壤，研究撞击全过程，对撞击力进行时域和频域分析。(3)结合国内外铁路、公路设计规范和相关研究成果，参考船舶、流冰等撞击桥梁过程中撞击荷载的既有研究，总结分析了车辆撞击荷载的设计方法（总体平均法、局部平均法、简化荷载脉冲法、等效位移法)、数值模拟和试验结果。研究了不同类型汽车撞击荷载的持时、最大幅值、作用位置
21、等特点，分析确定了汽车车辆撞击荷载作用下的高速列车一桥梁系统动力分析模型中的撞击力荷载特性及取值方法。(4)采用多刚体动力学方法建立车辆模型，采用模态综合法建立桥梁模型，按照轮轨密贴假定定义轮轨垂向作用力，按照简化的 Kalker續滑理论定义轮轨横向作用力，以节点动荷载模拟汽车撞击力作用时程，建立了汽车撞击荷载作用下的车桥耦合系统动力分析模型，编制了相关的计算程序，进行了相关计算。(5)本章利用车一轨一桥锅合动力试验平台，用力锤横向敲击作用模拟横向撞击力，通过模型试验研究了横向撞击力对桥梁及桥上车辆运行安全的影响规律。研究了车桥系统有无撞击力作用时的动力响应，以及撞击力对桥梁及桥上运行车辆的影响规律。
