列車-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)地震響應數(shù)值模擬方法及應用.pdf

1、我國是地震多發(fā)國家，地震作用不僅可能對列車承載結(jié)構(gòu)造成破壞，同時也對其上列車的運行安全構(gòu)成嚴重威脅。隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的迅猛發(fā)展，鐵路及軌道交通運營里程逐年激增，列車在運行過程中遭遇地震的可能性也大大增加，這為開展列車-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)地震響應問題的研究提供了重要的現(xiàn)實需求。針對列車在地震過程中可能出現(xiàn)的爬軌、跳軌等輪軌分離現(xiàn)象，本文建立了三維輪軌滾動接觸模型。針對列車-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)模型規(guī)模巨大，各子系統(tǒng)穩(wěn)定

2、時間步長相差明顯的特點，本文提出了基于負載均衡的顯式時域多尺度并行計算方法。據(jù)此開展了列車-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)地震響應的研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　研究了列車-結(jié)構(gòu)-土體動力耦合系統(tǒng)地震響應問題的建模及計算方法。利用有限元方法，將剛體列車引入到耦合系統(tǒng)中。采用基于罰函數(shù)的雙向?qū)ΨQ接觸方式建立了三維輪軌滾動接觸模型，給出了接觸模型中的關(guān)鍵參數(shù)控制原則，通過單輪對滾動及脫軌過程的分析，驗證了輪軌接觸模型的準確性。建立了非線性分層

3、土體模型，通過自由場地震響應的對比分析，驗證了模型的準確性。
　　研究了基于負載均衡的顯式時域多尺度并行計算方法。采用顯式時域多尺度算法將列車-結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)有限元模型按照單元最小穩(wěn)定時間步長劃分為采用不同時間步長計算的區(qū)域，在區(qū)域邊界上采用常速度假設使邊界節(jié)點滿足協(xié)調(diào)條件。以遞歸坐標對分方法為基礎，進一步提出加入考慮時域內(nèi)多尺度算法影響因子的模型分區(qū)方法。該方法可以大大地節(jié)省計算資源，縮短求解時間，通過與以往研究的對比，驗證了該方

4、法的可行性與準確性。
　　開展了列車-橋梁-土體動力耦合系統(tǒng)地震響應數(shù)值模擬研究。以某斜拉橋及其上運行列車為研究對象，建立了列車-斜拉橋-土體耦合系統(tǒng)有限元模型，分析了系統(tǒng)在地震激勵下的動力響應，討論了非一致激勵對各子系統(tǒng)動力響應的影響，將輪對橫移量和車輪抬升量作為列車脫軌安全評判指標，研究了地震激勵下列車真實脫軌過程中輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪對橫移量以及車輪抬升量的變化規(guī)律。
　　開展了列車-隧道土體動力耦合系統(tǒng)地震響應數(shù)

5、值模擬研究。以某盾構(gòu)隧道及其內(nèi)運行列車為研究對象，建立了列車-隧道-土體耦合系統(tǒng)有限元模型，計算了耦合系統(tǒng)在重力及外水壓力作用下的初始狀態(tài)，以此為基礎分析了地震激勵對耦合系統(tǒng)動力響應的影響。討論了地震頻譜特性、土層條件、地震強度以及列車速度對列車四項脫軌安全指標的影響程度及規(guī)律，討論了列車在地震作用下的脫軌安全域。
　　開展了列車-路堤-土體動力耦合系統(tǒng)地震響應數(shù)值模擬研究。以某計劃鋪設路基線路及其上運行列車為研究對象，建立了列車