楊長衛(wèi)， 童心豪， 連 靜， 何華武， 高芒芒

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司 科學技術(shù)研究院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031； 3. 中鐵科學研究院有限公司設(shè)計院工程經(jīng)濟所，四川 成都 610032；4. 中國工程院, 北京 100088； 5. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 研發(fā)中心， 北京 100081)

地震具有發(fā)生概率小、危害大的特點，容易對正在行駛的高速列車在極短時間內(nèi)造成重大人員傷亡，世界各國高鐵線路十分重視對地震的監(jiān)測預警及處置[1-5]，以達到防止或減輕地震災害對鐵路運輸安全的危害的目的。在地震的監(jiān)測—預警—處置的全過程中，預警閾值的設(shè)置直接關(guān)系到前期的預警及后期的處置，若警報閾值設(shè)置偏小，則會干擾列車的正常運營；若警報設(shè)置偏大，則會增大地震時列車脫軌的風險?；诖耍侠碓O(shè)定警報閾值至關(guān)重要，具有重要的現(xiàn)實意義。根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果可知[6-7]，日本新干線地震監(jiān)測報警系統(tǒng)的警報閾值采用一檔，當檢測到的地震動峰值加速度a≥40 gal時，采用接觸網(wǎng)停電觸發(fā)列車緊急制動。法國地中海線地震監(jiān)測系統(tǒng)的警報閾值采用兩檔，即檢測到的地震動峰值加速度在40～65 gal時，限速170 km/h；a≥65 gal時，停車；中國臺灣高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)的警報閾值采用三檔，即當檢測到加速度值是5～40 gal時，人工采取應變措施；40～120 gal ，ATC自動控制列車停車；當加速度值超過120 gal，增加斷電控車。然而，我國大陸地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境復雜多樣，與日本、法國、美國及中國臺灣存在較大的差異，其研究成果不能夠直接應用，需要開展更為深入的優(yōu)化研究工作。截至目前，針對閾值設(shè)置方面，中國鐵道科學研究院、西南交通大學等專家學者開展了大量研究工作[8-16]，主要集中在仿真計算，缺少室內(nèi)試驗及現(xiàn)場實測的驗證，大大限制了研究成果的應用。

基于此，本文以CRH380BL動車組，60 kg/m鋼軌及典型的高速鐵路線路雙線混凝土簡支箱梁、無砟軌道路基及有砟軌道路基為對象，構(gòu)建相似體系，設(shè)計完成列車-無砟軌道-橋梁縮尺模型、列車-無砟軌道-路基縮尺模型及列車-有砟軌道-路基縮尺模型的振動臺試驗，建立高速鐵路列車-無砟軌道橋梁/無砟軌道路基/有砟軌道路基空間耦合動力學模型，通過試驗結(jié)果對數(shù)值仿真分析方法的正確性進行驗證，通過參數(shù)規(guī)律性研究來探討地震動強度、列車運行速度等因素對高速列車正常運行的影響，進而提出高鐵地震預警規(guī)范中警報閾值的優(yōu)化建議。

1 概述

列車-軌道-無砟軌道橋梁振動臺試驗采用振動臺臺陣測試(見圖1)，具體振動臺參數(shù)和模型的相似參數(shù)見文獻[3]。列車-軌道-無砟軌道路基及列車-軌道-有砟軌道路基振動臺試驗采用單臺面實施，振動臺為三向六自由度，臺面尺寸為6 m×6 m，最大載重為42 t；試驗以模型長度L、土體重度γ和時間t為控制量，黏聚力的相似常數(shù)為10-1，內(nèi)摩擦角的相似常數(shù)為1，動彈性模量的相似常數(shù)為10-1，頻率的相似常數(shù)為100.5，時間的相似常數(shù)為10-0.5。鑒于篇幅，本文對三組振動臺試驗的具體細節(jié)不予闡述。

1.1 試驗模型設(shè)計

在列車-軌道-橋梁振動臺試驗模型中，采用跨徑3×3.2 m。在列車-無砟/有砟軌道-路基振動臺試驗模型中，模型長5 m、寬3.5 m、斜坡坡率為1∶1.5，基床表層厚約0.27 m，模型制作中土體采用分層夯實、實時檢測的方法，確保夯實效果，以K30作為控制指標。在三組振動臺試驗中，機車車體、轉(zhuǎn)向架、車輪、輪軸等構(gòu)件的材料和尺寸均依據(jù)京滬高速鐵路上運行的CRH380BL高速動車組進行制作，具體的大型振動臺模型詳見圖2～圖4。

1.2 振動臺試驗測點布置

為充分揭示地震過程中，橋梁、路基、車體等關(guān)鍵構(gòu)件的地震響應，本次測試在三組振動臺試驗模型中，設(shè)置了加速度、位移、應變及土壓力監(jiān)測點，具體布設(shè)情況見圖5～圖7，圖中A表示加速度傳感器，D表示激光位移計，L表示拉線位移計，T表示土壓力傳感器，應變計位于每副輪對的左、右軌腰上、下、垂直平面，監(jiān)測內(nèi)容和位置見表1，轉(zhuǎn)向架上的加速度測點軸視圖和輪對上的激光位移計測點軸視圖見圖8、圖9。在地震過程中，輪軌相互作用屬于高頻監(jiān)測的技術(shù)范疇，為清晰展示脫軌過程，本次試驗采用雙目成像高頻數(shù)字化攝像測量系統(tǒng)，具體見圖10。

表1 傳感器布置位置及監(jiān)測內(nèi)容

項目列車-無砟軌道-橋梁列車-無砟軌道-路基列車-有砟軌道-路基監(jiān)測內(nèi)容加速度、位移、應變加速度、位移、應變、土壓力加速度、位移、應變、土壓力監(jiān)測位置橋墩、橋面、車廂底部、轉(zhuǎn)向架、輪對、軌枕、軌道板、臺面土內(nèi)、坡頂、車廂底部、轉(zhuǎn)向架、輪對、軌枕、軌道板、臺面土內(nèi)、坡頂、車廂底部、轉(zhuǎn)向架、輪對、軌枕、道床、臺面

1.3 輪軌力的標定

在模型試驗中，鋼軌和車輪均按照相似體系縮尺，由于外界存在諸多不確定性因素的影響，直接測試輪軌作用力存在一定困難，需要通過標定進行統(tǒng)一考慮?；诖?，本次模型試驗中，按照文獻[17]的要求，搭建應變測試橋路，每組測試需要粘貼192個應變片。本文僅給出無砟軌道橋梁、路基模型中1號車輪左輪的標定結(jié)果，見圖11。

分析圖11可知，隨著加載質(zhì)量的逐漸增大，水平上、下表面及垂直方向的微應變均具有較好的線性相關(guān)性。在無砟軌道橋梁模型中，加載重量250 N時水平上、下表面微應變曲線出現(xiàn)拐點，后續(xù)微應變的增長速度逐漸增大，可能與鋼材自身的應力-應變特性有關(guān)。根據(jù)先期開展的列車-無砟軌道-橋梁振動臺試驗結(jié)果，地震過程中產(chǎn)生的最大垂向力小于220 N，因此，在后續(xù)路基試驗的標定過程中，加載重量最大值小于220 N。

1.4 地震動輸入

為更全面模擬堅硬、軟弱這兩種不同場地類別對高速列車地震安全運行速度閾值的影響，課題組前期建立了地震波數(shù)據(jù)庫，其中：ALS地震波(針對堅硬場地)、CHY004地震波(針對軟弱場地)、安評波是鐵路、公路結(jié)構(gòu)抗震抗震設(shè)計及開展結(jié)構(gòu)安全性驗算的重要依據(jù)?；诖?，本次試驗選取ALS地震波、安評地震波及CHY004地震波作為輸入地震波。地震波波形和地震動強度對列車運行安全具有直接影響，本試驗通過輸入不同地震強度的ALS地震波、安評地震波、CHY004地震波進行考慮。在測試前，需要對上述地震波采取歸一化處理，涵蓋了30，40，50，60 gal，…，直至脫軌，三種地震波試驗用的波形圖見圖12～圖14。值得注意的是安評波、CHY004波包含EW、V方向，ALS波包含NS、EW、V方向，且在每一組地震波施加前均施加60 s的白噪聲，以測試模型的固有頻率。

2 列車脫軌現(xiàn)象

為清晰展示地震作用下列車由脫軌系數(shù)超標至輪軌分離的脫軌現(xiàn)象，在試驗過程中采用了1 000 Hz的采樣頻率對輪軌接觸力進行測試，采用高分辨率視頻監(jiān)控系統(tǒng)對輪軌相對位置進行測試，累計開展了239組振動臺測試工況。同時，對于發(fā)生列車脫軌的加載工況，均開展4次的重復性試驗，以驗證試驗結(jié)果的可靠性。脫軌系數(shù)主要基于前述的標定曲線和實測的鋼軌應變獲得。列車-無砟軌道-橋梁、列車-無砟軌道-路基及列車-有砟軌道-路基振動臺試驗的具體試驗結(jié)果見表2和圖15。值得注意的是在地震過程中，橋梁、路基、軌道等結(jié)構(gòu)物均未發(fā)生破壞，充分驗證了鐵路工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的合理性。

表2 不同類型地震波作用下列車脫軌的加速度峰值 gal

注：此次分析采用脫軌系數(shù)≤0.8作為判定標準。

綜合分析表2和圖15可知，不論是橋梁還是路基結(jié)構(gòu)，CHY004地震波首先出現(xiàn)脫軌系數(shù)超標至輪軌分離的現(xiàn)象，ALS地震波次之，安評地震波最后，出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于CHY004地震波的卓越頻帶與車輛的自振頻率相近，通過共振作用誘發(fā)車體產(chǎn)生較大的晃動，減弱車體與軌道結(jié)構(gòu)的運動一致性，進而促使輪、軌之間發(fā)生分離。對于ALS地震波與CHY004地震波來說，前者較后者增加了沿線路走向方向的地震波，進而造成后者脫軌閾值略高于后者。

3 地震作用下高速列車運行安全性分析

上述大型振動臺模型試驗中，列車處于靜止狀態(tài)。為更進一步的研究高速運行狀態(tài)下的列車地震安全，本文基于列車-無砟軌道橋梁大型振動臺試驗模型，建立了數(shù)值仿真分析模型，施加相同地震波，賦予相同材料參數(shù)等，在橋墩、橋面及車體上選取代表性測點(A4、A10、A14、A17)進行對比研究[3]，結(jié)果表明：水平、豎向峰值加速度的最小誤差均小于10%，滿足計算精度要求，進而驗證了數(shù)值仿真分析方法的正確性[1-16]。在此基礎(chǔ)上，本文基于原型尺寸建立了高速鐵路列車-無砟軌道多跨簡支梁、無砟軌道路基、過渡段空間耦合動力學模型，輸入安評、ALS及CHY004地震波的原波，16輛編組的高速列車以140、160、180、200、220、250、275、300、325、350 km/h的速度運行，軌道譜采用實測的不平順譜[18]，累計計算630個工況，具體計算結(jié)果見表3和表4，其中：PGA為地震動峰值加速度；脫軌系數(shù)、減載率、橫向輪軌力、車體振動加速度、斯佩林指標均采用規(guī)范要求限值。本文僅列舉橋梁仿真分析模型，見圖16、圖17。

綜合分析表3和表4可知，地震動加速度對舒適度指標影響最為敏感，行車安全性指標次之。從行車安全性指標來看，脫軌系數(shù)控制的速度閾值對地震動加速度變化最為敏感，呈反比例關(guān)系，橫向輪軌力和減載率控制的速度閾值基本不變。從舒適度指標來看，車體加速度受輸入地震動加速度的影響最為敏感，呈反比例關(guān)系，舒適度指標次之。綜合考慮行車安全性指標和行車舒適性指標，在相同地震動加速度下線路的允許最大運行速度表現(xiàn)出無砟軌道路基>過渡段>32 m簡支梁橋，出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于橋梁結(jié)構(gòu)對地面輸入加速度具有放大效應，而過渡段自身結(jié)構(gòu)存在的剛度差造成車輛通過時的車體響應明顯大于路基區(qū)段。因此，高鐵地震預警閾值主要取決于線路中的橋梁結(jié)構(gòu)。對于行駛速度為200 km/h以上的高速鐵路來講，在PGA=40 gal時，車體的垂向加速度超出限值，需要降速至160 km/h；當PGA=80 gal時，行車速度需要降140 km/h以下；當PGA=120 gal時，舒適度的各項指標所允許的速度閾值普遍小于140 km/h。基于前期對日本、中國臺灣的調(diào)研結(jié)果和國內(nèi)外研究成果可知[1-16]，在地震動峰值加速度a≥120 gal時會對鐵路沿線的接觸網(wǎng)等其他結(jié)構(gòu)設(shè)施產(chǎn)生損壞，誘發(fā)次生災害。

表3 基于安全性指標的不同類型結(jié)構(gòu)所允許的最大運行速度 km/h

注：P0為靜軸重。

表4 基于行車舒適性指標的不同類型結(jié)構(gòu)所允許的最大運行速度 km/h

4 結(jié)論

本文基于相似理論設(shè)計完成了設(shè)計完成列車-無砟軌道-橋梁縮尺模型、列車-無砟軌道-路基縮尺模型及列車-有砟軌道-路基縮尺模型的振動臺試驗，在此基礎(chǔ)上，通過開展高速鐵路列車-無砟軌道-橋梁、高速鐵路列車-無砟軌道-路基及高速鐵路列車-有砟軌道-軌路基的動力學仿真計算，提出了地震作用下高速列車安全運行速度閾值，具體結(jié)論如下：

(1) 試驗結(jié)果表明，不論是橋梁還是路基結(jié)構(gòu)，CHY004地震波首先出現(xiàn)脫軌系數(shù)超標至輪軌分離的現(xiàn)象，ALS地震波次之，安評地震波最后。

(2) 地震動加速度對舒適度指標影響最為敏感，行車安全性指標次之。在相同地震動加速度下線路的允許最大運行速度表現(xiàn)出無砟軌道路基>過渡段>32 m簡支梁橋。從行車安全性指標來看，脫軌系數(shù)控制的速度閾值對地震動加速度變化最為敏感，呈反比例關(guān)系，橫向輪軌力和減載率控制的速度閾值基本不變。從行車舒適度指標來看，車體加速度受輸入地震動加速度的影響最為敏感，呈反比例關(guān)系，舒適度指標次之。

(3) 基于文獻[19]中對地震預警系統(tǒng)的警報閾值的相關(guān)規(guī)定，建議高鐵地震預警系統(tǒng)警報閾值分三級設(shè)置，即當40 gal≤預測或計測的峰值地震動加速度a<80 gal時，限速160 km/h，以偏安全考慮；當80 gal≤a<120 gal時，緊急停車；當a≥120 gal時，緊急停車并接觸網(wǎng)斷電。