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中国高速铁路快速发展，运营里程不断增加，目前已超过2万公里，到2025年，高速铁路里程将达到3.8万公里，可覆盖大多数大城市。高速铁路的防震减灾问题一直备受重视，主要涉及到两个层次的问题：一是保证基础设施满足抗震设防的要求，目前已有较成熟的设计标准；二是在基础设施安全的条件下地震时列车的运行安全问题，目前还未能形成有效可靠的解决方案。为解决地震对高速铁路运行安全的威胁，除了进行高速铁路结构的抗震设计外，日本等国家采取了地震预警的方法，当预测的地震动达到一定阈值时，对高速铁路进行减速或停车控制，以减少损失。我国部分高速铁路在建设过程中，已经预先设置了地震监测模型，以备地震预警使用，但我国在地震预警方面的研究刚刚起步，可参照的经验较少，相关参数如地震预警阈值等的合理性有待进一步的研究和验证。
高速铁路地震预警系统主要包括3方面的内容：第一是预测预警目的地的地震动强度，主要涉及利用早期监测到的较小的先达地震动预测预警目的地后续破坏性地震动的大小；第二是确定地震作用时目的地的地震动预警阈值，与地震作用下列车的运行安全性密切相关；第三是预警信息的传输、发布和控制方法，主要包括传输发布的技术途径、控制策略和控制方式。本文主要研究第二个问题，即高速铁路地震预警阈值的确定以及相关的地震作用下高速铁路轮轨动力响应分析等问题。
主要完成工作和相关结论如下：
(1)通过车辆-轨道模型振动台试验，对地震作用下车辆-轨道模型的动力响应及其脱轨机理进行分析。试验研究表明导致列车脱轨的主要原因是地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动，引起车轮发生水平向晃动，促使左右轮、轨交替分离，致使车辆发生侧向滚摆运动最终造成脱轨，基于上述脱轨原因，说明地震作用下除了应考虑脱轨系数、轮重减载率等脱轨评判准则外，还可以将车轮抬升量、轮轨相对位移作为脱轨评判准则；对车辆-轨道模型施加实测地震波时，将不同工况下的各轮轨动力响应指标峰值进行提取分析，发现人工波作用下的车辆-轨道模型的各轮轨动力响应值最为显著，初步推断是因为车辆-轨道模型水平向的自振频率与人工波的卓越频率最为接近，从而导致人工地震波作用下的各轮轨动力响应指标最大；对车体同时施加水平向和垂向地震波的试验结果与单独施加水平向地震波的试验结果基本一致，由此说明地震过程中，对车辆-轨道系统的动力响应影响较大的为水平向地震波，垂向地震波对其影响较小。
(2)建立车辆-轨道动力学数值模型，并将车辆-轨道数值模型的分析计算结果与车辆-轨道模型振动台试验结果进行了对比分析。表明数值模拟计算结果与试验结果基本一致，表明数值模拟计算结果可靠；通过数值模拟研究了地震波频率特性对列车行驶的影响，发现当地震波的卓越频率与车体的水平向自振频率接近时容易产生共振，危害较大，因此在进行车辆轨道设计时，尽量使车体的侧滚自振频率避开低频区；当路基的高度(0~3.6m)范围内变化时，地震波对列车的车轮抬升量、轮轨水平向接触力和轮轨垂向接触力响应值的波动影响不大。
(3 )基于车辆-轨道动力学原理建立了考虑轨道不平顺的多刚体车辆-轨道三维有限元计算模型，分别研究了当考虑轨道不平顺时地震情况下车速对列车轮轨动力响应的影响。其中轨道不平顺主要采用美国轨道不平顺谱，采用傅里叶逆变换法对功率谱函数进行数值模拟，并利用MATLAB编写代码绘出美国六级轨道线路谱，最终通过编写ABAQUS子程序的方法实现在车辆-轨道动力学三维模型中对轨道快速施加轨道不平顺谱。计算结果表明，如果不考虑轨道不平顺，地震情况下车速的变化对车辆的轮轨动力响应影响较小，将各个曲线与静态的车辆-轨道模型振动台试验进行对比，发现其与试验结果基本吻合，说明地震作用下列车静止状态时的轮轨动力响应与列车在光滑轨道上匀速运行时的轮轨动力响应较为接近，从而可以将地震作用下列车的静止状态近似看成列车在光滑的轨道上匀速运行的状态；当考虑轨道不平顺时，地震波加速度峰值为0.1g、轨道不平顺波长范围在(0.5m~80m)、车辆行驶速度范围在100km/h到300km/h之间时，列车速度的增加虽对各脱轨指标响应峰值有一定的影响，且随车速呈线性增长趋势。当考虑轨道不平顺时，列车速度为300km/h，El-Centro地震波加速度峰值为0.04g时，车辆-轨道系统的轮重减载率即达到0.6567，超了规范中规定的轮重减载率安全限值0.65，因此可以考虑将0.04g作为高速铁路地震预警阈值。但仅通过研究一条地震波作用下的车辆轮轨动力响应是远远不够的，应该研究大量的不同地震波作用下的车辆轮轨动力响应。同时利用车辆-轨道数值计算模型，对地震情况下车辆-轨道数值模型进行动力响应计算分析，发现可以将地震作用下列车运行状态看做为列车在不平顺的轨道上运行和地震作用下列车在平直的轨道上运行这两种状态的叠加。
(4)提出了确定地震预警阈值的新思路。将这两种脱轨指标的安全冗余量作为地震作用下列车静止状态时的脱轨系数限值和轮重减载率限值，从而利用脱轨系数限值和轮重减载率限值来确定高速铁路地震预警阈值，给出地震作用下列车静态时的不同脱轨系数限值和不同轮重减载率限值相对应的预警阈值；最后通过输入80条典型的水平向地震波，将计算结果中的车轮抬升量、轮轨接触点水平位移、车体倾覆角等参数与地震动峰值加速度之间的关系进行统计分析，利用随机振动原理最终给出地震作用下列车的地震预警阈值评价表。
高速铁路地震预警系统主要包括3方面的内容：第一是预测预警目的地的地震动强度，主要涉及利用早期监测到的较小的先达地震动预测预警目的地后续破坏性地震动的大小；第二是确定地震作用时目的地的地震动预警阈值，与地震作用下列车的运行安全性密切相关；第三是预警信息的传输、发布和控制方法，主要包括传输发布的技术途径、控制策略和控制方式。本文主要研究第二个问题，即高速铁路地震预警阈值的确定以及相关的地震作用下高速铁路轮轨动力响应分析等问题。
主要完成工作和相关结论如下：
(1)通过车辆-轨道模型振动台试验，对地震作用下车辆-轨道模型的动力响应及其脱轨机理进行分析。试验研究表明导致列车脱轨的主要原因是地震作用使轨道结构发生大幅的水平向振动，引起车轮发生水平向晃动，促使左右轮、轨交替分离，致使车辆发生侧向滚摆运动最终造成脱轨，基于上述脱轨原因，说明地震作用下除了应考虑脱轨系数、轮重减载率等脱轨评判准则外，还可以将车轮抬升量、轮轨相对位移作为脱轨评判准则；对车辆-轨道模型施加实测地震波时，将不同工况下的各轮轨动力响应指标峰值进行提取分析，发现人工波作用下的车辆-轨道模型的各轮轨动力响应值最为显著，初步推断是因为车辆-轨道模型水平向的自振频率与人工波的卓越频率最为接近，从而导致人工地震波作用下的各轮轨动力响应指标最大；对车体同时施加水平向和垂向地震波的试验结果与单独施加水平向地震波的试验结果基本一致，由此说明地震过程中，对车辆-轨道系统的动力响应影响较大的为水平向地震波，垂向地震波对其影响较小。
(2)建立车辆-轨道动力学数值模型，并将车辆-轨道数值模型的分析计算结果与车辆-轨道模型振动台试验结果进行了对比分析。表明数值模拟计算结果与试验结果基本一致，表明数值模拟计算结果可靠；通过数值模拟研究了地震波频率特性对列车行驶的影响，发现当地震波的卓越频率与车体的水平向自振频率接近时容易产生共振，危害较大，因此在进行车辆轨道设计时，尽量使车体的侧滚自振频率避开低频区；当路基的高度(0~3.6m)范围内变化时，地震波对列车的车轮抬升量、轮轨水平向接触力和轮轨垂向接触力响应值的波动影响不大。
(3 )基于车辆-轨道动力学原理建立了考虑轨道不平顺的多刚体车辆-轨道三维有限元计算模型，分别研究了当考虑轨道不平顺时地震情况下车速对列车轮轨动力响应的影响。其中轨道不平顺主要采用美国轨道不平顺谱，采用傅里叶逆变换法对功率谱函数进行数值模拟，并利用MATLAB编写代码绘出美国六级轨道线路谱，最终通过编写ABAQUS子程序的方法实现在车辆-轨道动力学三维模型中对轨道快速施加轨道不平顺谱。计算结果表明，如果不考虑轨道不平顺，地震情况下车速的变化对车辆的轮轨动力响应影响较小，将各个曲线与静态的车辆-轨道模型振动台试验进行对比，发现其与试验结果基本吻合，说明地震作用下列车静止状态时的轮轨动力响应与列车在光滑轨道上匀速运行时的轮轨动力响应较为接近，从而可以将地震作用下列车的静止状态近似看成列车在光滑的轨道上匀速运行的状态；当考虑轨道不平顺时，地震波加速度峰值为0.1g、轨道不平顺波长范围在(0.5m~80m)、车辆行驶速度范围在100km/h到300km/h之间时，列车速度的增加虽对各脱轨指标响应峰值有一定的影响，且随车速呈线性增长趋势。当考虑轨道不平顺时，列车速度为300km/h，El-Centro地震波加速度峰值为0.04g时，车辆-轨道系统的轮重减载率即达到0.6567，超了规范中规定的轮重减载率安全限值0.65，因此可以考虑将0.04g作为高速铁路地震预警阈值。但仅通过研究一条地震波作用下的车辆轮轨动力响应是远远不够的，应该研究大量的不同地震波作用下的车辆轮轨动力响应。同时利用车辆-轨道数值计算模型，对地震情况下车辆-轨道数值模型进行动力响应计算分析，发现可以将地震作用下列车运行状态看做为列车在不平顺的轨道上运行和地震作用下列车在平直的轨道上运行这两种状态的叠加。
(4)提出了确定地震预警阈值的新思路。将这两种脱轨指标的安全冗余量作为地震作用下列车静止状态时的脱轨系数限值和轮重减载率限值，从而利用脱轨系数限值和轮重减载率限值来确定高速铁路地震预警阈值，给出地震作用下列车静态时的不同脱轨系数限值和不同轮重减载率限值相对应的预警阈值；最后通过输入80条典型的水平向地震波，将计算结果中的车轮抬升量、轮轨接触点水平位移、车体倾覆角等参数与地震动峰值加速度之间的关系进行统计分析，利用随机振动原理最终给出地震作用下列车的地震预警阈值评价表。