【摘要】：近幾年,我國高速鐵路飛速發(fā)展,包括高速列車車型推陳出新,列車運(yùn)行速度不斷提升,高速鐵路網(wǎng)不斷完善,高速鐵路里程不斷提高。但隨著高速鐵路網(wǎng)的密集,越來越多的高速鐵路穿過因過渡開采地下水而形成的落水漏斗區(qū)。我國國土遼闊,地形復(fù)雜,為緩解工后沉降對高速列車安全平穩(wěn)運(yùn)行造成的影響,高速鐵路多采用橋梁,其中京滬高速鐵路的橋梁比例達(dá)到了80.5%。地面不均勻沉降會導(dǎo)致上部橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生線形變化等病害,而梁體結(jié)構(gòu)的線形變化會影響高速列車過橋安全性、平穩(wěn)性。因此研究高速列車過橋安全性、平穩(wěn)性,從而得出高速列車過橋行車安全判據(jù)顯得十分重要。本文采用數(shù)值模擬的方法,首先分析了高速列車、無砟軌道、四跨簡支梁橋、軌道高低不平順的動力學(xué)模型,總結(jié)了京滬高鐵濟(jì)南到德州某段的地面不均勻沉降規(guī)律。通過Hertz彈性接觸理論、彈簧-阻尼單元分別實(shí)現(xiàn)輪軌、橋軌之間的相互作用關(guān)系;計(jì)算并分析了橋墩沉降隨地面沉降年限增加的規(guī)律,運(yùn)用強(qiáng)迫位移法使地面不均勻沉降在高速列車-軌道-橋梁模型中實(shí)現(xiàn);運(yùn)用逆傅氏變化法生成了軌道隨機(jī)不平順時(shí)域樣本,并將其導(dǎo)入到車-軌-橋模型中。其次,基于大型通用有限元分析軟件ANSYS,應(yīng)用APDL參數(shù)化建模技術(shù)建立了考慮地面不均勻沉降、軌道高低不平順的高速列車-無砟軌道-橋梁三維可視化有限元模型。并將模型求解結(jié)果與已有成果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了模型的正確性。為了研究地面沉降區(qū)高速列車運(yùn)行速度、地面沉降年限、列車運(yùn)行方式改變對高速列車過橋安全性、平穩(wěn)性的影響,提出了本文所設(shè)計(jì)的考慮列車運(yùn)行速度改變(200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h)、列車運(yùn)行方式改變(單線運(yùn)行、雙線運(yùn)行)、沉降年限改變(0年、5年、10年、15年、20年)的設(shè)計(jì)工況,共包含50種工況。首先求解并研究高速列車在實(shí)際運(yùn)營工況(地面未發(fā)生沉降、列車運(yùn)行速度為300 km/h)下過橋,提取并分析了車體及橋梁的動力響應(yīng),得到列車、橋梁動力響應(yīng)時(shí)程曲線。其次求解了50種設(shè)計(jì)工況,并將表征列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性的車體動力響應(yīng)(包括輪重減載率、車體垂向最大加速度、Sperling指數(shù))進(jìn)行分析。通過分析求解結(jié)果得出以下結(jié)論:(1)速度為影響高速列車過橋安全性、平穩(wěn)性的最重要因素,為確保高速列車安全平穩(wěn)過橋,應(yīng)嚴(yán)格控制列車運(yùn)行速度;(2)地面沉降年限會影響高速列車安全、平穩(wěn)過橋,且該影響會隨著列車運(yùn)行速度增大而增大,因此應(yīng)做好對高速鐵路線路及附近區(qū)域地面沉降的監(jiān)測;(3)列車運(yùn)行方式也會影響高速列車安全、平穩(wěn)過橋,且隨著列車運(yùn)行速度、地面沉降年限的增大該影響也會增大,因此在高速列車高速運(yùn)行于沉降嚴(yán)重地區(qū)時(shí)應(yīng)注意高速列車會車安全;(4)我國京滬高鐵所運(yùn)行的CRH 380號高速列車以300 km/h的速度過橋,在地面沉降年限為20年時(shí),列車各項(xiàng)安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)滿足要求,即對地面不均勻沉降引起的橋梁線形變化有較大的安全儲備;(5)當(dāng)列車以400km/h的速度過橋,地面發(fā)生沉降時(shí)高速列車安全性指標(biāo)超出限值。本文研究成果可為京滬高速鐵路穿越地面沉降區(qū)時(shí)的安全平穩(wěn)過橋提供科學(xué)依據(jù)。本文創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)在單一平臺建立、求解了考慮地面不均勻沉降的高速列車-軌道-簡支梁橋動力學(xué)耦合模型。(2)深入研究了高速列車運(yùn)行速度、列車運(yùn)行方式、地面沉降年限對高速列車過橋安全性、平穩(wěn)性的影響規(guī)律,提出了地面沉降區(qū)高速列車過橋行車安全判據(jù)。
【圖文】：

但其運(yùn)行速度仍然沒有超過 200 km/h。2003 年，中國第一條客沈快速客運(yùn)專線正式開通運(yùn)營，設(shè)計(jì)運(yùn)營速度 200 km/h，試驗(yàn)列車在速度達(dá)到 321.5 km/h。2008 年 8 月 1 日，我國第一條具有自主知識產(chǎn)的高速鐵路——京津城際高速鐵路開通運(yùn)行，標(biāo)志著我國正式躋身世其最高運(yùn)營時(shí)速可達(dá)350 km/h。2010年6月底開通的京滬高速鐵路全長 2209 億元，設(shè)計(jì)時(shí)速為 350 km/h，是世界上建成線路最長、投資最的高速鐵路。2010 年 12 月，我國自主研發(fā)的“和諧號”CRH 380 高滬高鐵棗莊至蚌埠段試行，最高試驗(yàn)時(shí)速達(dá)到 394.3 公里，再次刷新最高速。這一速度又一次證明中國高鐵已全面領(lǐng)先世界。2017 年 6 月院常務(wù)會議，原則通過了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，即到 2030 年，我國將達(dá)到 3 萬 km，覆蓋 80%以上的大城市（Zeng et al., 2017），，形成“路網(wǎng)”如圖 1 所示。

1.1.2 研究意義我國地下水超采形成的漏斗沉降區(qū)，致使地面塌陷、地上結(jié)構(gòu)損毀，已嚴(yán)重影響國土安全（徐明偉等，2015）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國存在 50 多個(gè)城市存在地面沉降，沉降面積 48655 km2。地面沉降會直接或間接導(dǎo)致橋梁墩臺沉降從而嚴(yán)重影響高鐵列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行。李國和等通過數(shù)值模擬及實(shí)測數(shù)據(jù)（李國和等，2008；李國和等，2009）研究表明：地面的不均勻沉降會導(dǎo)致上部橋梁結(jié)構(gòu)的變形，橋梁變形的發(fā)展與地面不均勻沉降相對應(yīng)。由于高速列車運(yùn)行時(shí)對橋上線路平順性要求高，特別是采用無砟軌道技術(shù)后，對橋梁的變形限值提出了更高要求，而高速鐵路線路最密集的東部地區(qū)恰恰是地下水過度開采而形成地面不均勻沉降最嚴(yán)重的地區(qū)，以京滬高鐵通過的山東地區(qū)為例，如圖 2（a）、（b）所示分別為華北地區(qū)地面沉降漏斗分布及京滬高鐵所經(jīng)過的各地區(qū)路線圖，其中京滬高鐵通過的濟(jì)南、德州段均為地下水超采區(qū)，威脅著高鐵運(yùn)營安全。
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U441;U270.11

【參考文獻(xiàn)】

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