高速铁路列车：轨道-桥梁系统地震灾变模拟、机理与防控

　　高速铁路是我国科技创新领域的一张亮丽名片，确保其安全运行是高速铁路可持续健康发展的根本要求和重要前提。本书详细介绍了笔者团队多年来在高速铁路列车-轨道-桥梁系统地震灾变方面的研究成果，涵盖了系统灾变数值模拟、物理试验与混合试验模拟、地震灾变机理和减震防控技术等内容。本书特色在于强调协同开源模拟、重视灾变物理复现、计入轨道结构损坏、建立行车安全映射等方面。希望本书可为同行研究和应用提供参考。

　　国巍，中南大学教授，博士生导师。现任高速铁路工程结构抗震研究所所长，教工高铁国家工程实验室党支部书记。国家“优青”项目、湖南省青年科技奖、中国交通运输协会科技创新青年奖获得者。致力于高速铁路工程结构抗震减震、智慧实验室与智能建造领域相关研究，主持国家自然科学基金、 高速磁浮重大攻关项目等50余项。成果应用于我国高铁桥梁、高铁客站、国际首套地震下桥上行车试验系统、 国际首套600公里时速高速磁浮走行性能测试系统。获国家技术发明二等奖、中国铁道学会科学技术特等奖、湖南省科技进步一等奖、湖南省科学技术创新团队奖等科技奖励。 余志武，中南大学教授，博士生导师。现任高速铁路建造技术国家工程研究中心主任。首批湖南省科技领军人才，湖南省先进工作者，全国优秀科技工作者，享受政府特殊津贴。长期致力于列车与地震作用下轨道-桥梁体系随机振动与服役安全科学研究、 工程实践和人才培养。在列车与地震作用下轨道-桥梁系统动力性能高精度分析、 轨道结构高品质建造和轨道-桥梁体系服役状态高性能保持等方面取得了一系列创新成果。主持获国家技术发明二等奖2项，参与获国家科技进步二等奖3项， 主持获省部级特等奖和一等奖6项。 蒋丽忠，中南大学教授，博士生导师。现任中南大学副校长，高速铁路建造技术国家工程研究中心常务副主任。教育部长江学者特聘教授，国家重点领域创新团队带头人，享受政府特殊津贴。多年来一直从事结构工程学科教学、科研与技术开发工作。围绕我国铁路提升工程建设需求，针对高速铁路桥梁减震隔震技术、地震作用下列车-桥梁耦合动力作用、钢-混凝土组合结构抗震性能及结构与基础的共同作用等领域的关键科学问题和技术难题开展了攻关研究，获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、省部级特等、一等、二等奖9项。

目  录
 
第1章  绪  论  / 1
1.1  概述  / 1
    1.1.1  我国高速铁路发展历程  / 1
    1.1.2  我国高速铁路建设特点  / 1
1.2  地震对高速铁路运营安全的影响  / 3
1.3  高速铁路列车、 轨道和桥梁  / 3
    1.3.1  电力动车组  / 3
    1.3.2  无砟轨道  / 7
    1.3.3  高速铁路桥梁结构  / 10
1.4  列车-轨道-桥梁系统计算模型及其动力耦合  / 12
    1.4.1  列车-轨道-桥梁系统计算模型  / 12
    1.4.2  列车-轨道-桥梁系统动力耦合及求解方法  / 15
    1.4.3  轮轨几何接触关系  / 16
    1.4.4  轮轨力接触关系  / 21
1.5  高速铁路桥上行车动力性能  / 22
    1.5.1  行车性能研究现状  / 22
    1.5.2  动力性能评估标准  / 26
1.6  本章小结  / 34
第2章  地震下高速铁路桥上行车性能数值模拟方法  / 35
2.1  概述  / 35
2.2  地震下高速铁路桥上行车数值模拟研究现状  / 36
    2.2.1  列车-轨道-桥梁系统动力学数值分析方法  / 36
    2.2.2  地震下列车-轨道-桥梁耦合振动数值模拟方法  / 36
    2.2.3  列车-轨道-桥梁系统精细数值模拟方法  / 40
2.3  轮轨接触法向找点法  / 41
    2.3.1  法向找点法的原理  / 41
    2.3.2  轮轨接触点求解  / 42
    2.3.3  法向找点法计算步骤  / 42
    2.3.4  空间轮轨接触关系可视化  / 43
    2.3.5  算例及验证  / 43
2.4  地震下列车-轨道-桥梁系统仿真CS技术  / 45
    2.4.1  CS技术原理  / 45
    2.4.2  耦合计算流程  / 46
2.5  基于OpenSees平台的地震下列车-轨道-桥梁系统仿真  / 48
    2.5.1  OpenSees简介  / 49
    2.5.2  原理阐述  / 49
    2.5.3  数值算例  / 51
2.6  基于Simpack平台的地震下列车-轨道-桥梁系统仿真  / 55
    2.6.1  SOTTB程序框架  / 55
    2.6.2  列车学分析模型  / 58
    2.6.3  桥梁与轨道模型  / 59
    2.6.4  数值算例  / 60
2.7  基于移动单元模型的地震下列车-轨道-桥梁系统仿真  / 63
    2.7.1  移动单元模型  / 63
    2.7.2  轮轨移动单元集成到OpenSees平台  / 63
    2.7.3  数值算例  / 65
2.8  本章小结  / 67
第3章  地震下高速铁路列车-轨道-桥梁系统物理试验模拟方法  / 69
3.1  概述  / 69
3.2  高速铁路列车-轨道-桥梁系统模型试验相似设计  / 70
    3.2.1  相似设计理论  / 70
    3.2.2  相似设计参数  / 71
    3.2.3  相似设计有效性验证  / 73
3.3  高速铁路桥上行车试验系统架构  / 77
    3.3.1  模型车设计  / 77
    3.3.2  桥梁模型等效设计  / 80
    3.3.3  试验系统组成  / 84
3.4  高速铁路桥上行车试验系统测试  / 91
    3.4.1  试验工况  / 91
    3.4.2  轨道不平顺测量  / 91
    3.4.3  试验数据采集  / 96
    3.4.4  试验与仿真对比分析  / 99
3.5  本章小结  / 105
第4章  高速铁路桥上行车实时混合模拟试验  / 106
4.1  概述  / 106
4.2  高速铁路桥上行车混合试验方法  / 107
    4.2.1  高速铁路桥上行车实时混合试验框架  / 107
    4.2.2  高速铁路桥上行车实时混合试验  / 112
    4.2.3  高速铁路桥上行车离线迭代混合试验  / 115
4.3  实时混合试验算法  / 125
    4.3.1  SSMEDV算法  / 125
    4.3.2  SSMEDV算法特性  / 127
    4.3.3  算法的混合试验应用  / 131
4.4  数值模型实时计算技术  / 133
    4.4.1  移动荷载积分法  / 134
    4.4.2  移动荷载积分法非线性修正  / 136
    4.4.3  其他实时计算技术  / 137
    4.4.4  实时混合试验中的移动荷载积分法验证  / 137
4.5  时滞补偿技术  / 143
    4.5.1  自适应状态反馈控制  / 144
    4.5.2  插值-预测算法  / 145
    4.5.3  试验验证  / 146
4.6  混合试验数值算法评估平台  / 148
    4.6.1  平台简介  / 148
    4.6.2  计算流程  / 149
    4.6.3  软件架构  / 149
    4.6.4  有限元分析模块  / 151
    4.6.5  评估指标  / 152
    4.6.6  应用实例  / 154
4.7  本章小结  / 159
第5章  高速铁路列车-轨道-桥梁系统地震灾变机理  / 160
5.1  概述  / 160
5.2  列车-轨道-桥梁系统数值模型  / 160
    5.2.1  列车模型  / 160
    5.2.2  轨道-桥梁模型  / 161
    5.2.3  自振特性分析  / 163
5.3  轨道-桥梁系统主要构件的力学性能  / 164
    5.3.1  桥墩  / 164
    5.3.2  主梁与摩擦板  / 165
    5.3.3  支座  / 165
    5.3.4  滑动层与CA砂浆层  / 166
    5.3.5  剪力齿槽和剪切钢筋  / 166
    5.3.6  扣件  / 167
    5.3.7  底座板、 轨道板、 钢轨  / 167
5.4  高速铁路桥墩震致破坏弯剪强度模型  / 168
    5.4.1  抗剪承载力理论公式  / 168
    5.4.2  三折线抗剪强度模型  / 171
5.5  高速铁路桥墩震致破坏分析  / 172
    5.5.1  Pushover分析方法  / 172
    5.5.2  桥墩损伤评估指标  / 174
    5.5.3  桥墩易损性评估方法  / 174
    5.5.4  不同高度桥墩易损性分析  / 175
    5.5.5  不同场地桥墩易损性分析  / 176
5.6  远场地震下轨道-桥梁系统灾变机理  / 177
    5.6.1  有限元模型  / 177
    5.6.2  震致破坏机理  / 178
    5.6.3  基础失效造成的附加轨道不平顺  / 182
    5.6.4  轨道结构等效非线性弹簧模型  / 182
5.7  近断层地震下轨道-桥梁系统灾变机理  / 184
    5.7.1  近断层地震动记录选取  / 184
    5.7.2  顺桥向损伤特征及原因分析  / 186
    5.7.3  横桥向损伤模式与损伤特征  / 187
5.8  地震下列车-轨道-桥梁系统灾变机理  / 189
    5.8.1  列车-轨道-桥梁系统模型  / 189
    5.8.2  地震下列车-轨道-桥梁系统动力响应  / 191
    5.8.3  桥梁破坏对震后行车安全的影响  / 193
5.9  本章小结  / 197
第6章  地震下高速铁路桥上行车性能评估指标  / 198
6.1  概述  / 198
6.2  地震下大跨度铁路桥桥上行车安全评估指标  / 199
6.3  地震下高速铁路桥上行车安全评估  / 200
    6.3.1  地震下铁路简支梁桥桥上行车  / 200
    6.3.2  地震下大跨度铁路桥桥上行车  / 208
6.4  基于谱强度指标地震下桥上行车安全评估  / 224
    6.4.1  谱强度指标定义  / 224
    6.4.2  SI指标限值  / 225
    6.4.3  SI指标有效性验证  / 237
    6.4.4  行车安全性影响因素  / 244
6.5  本章小结  / 252
第7章  地震下高速铁路列车-轨道-桥梁系统减震防控技术  / 254
7.1  概述  / 254
7.2  基于RFD的轨道-桥梁减震技术  / 255
    7.2.1  RFD的基本原理  / 255
    7.2.2  RFD的力学性能  / 256
    7.2.3  设置RFD的高速铁路简支梁桥抗震性能拟动力混合试验  / 259
7.3  基于组合耗能限位支座的轨道-桥梁减震技术   / 266
    7.3.1  组成及工作原理  / 266
    7.3.2  力学模型及滞回特性  / 269
    7.3.3  组合耗能限位支座的减隔震性能  / 271
7.4  基于TMD的列车-轨道-桥梁系统减震技术  / 273
    7.4.1  TMD模型及优化方法  / 274
    7.4.2  TMD参数设计及布置  / 277
    7.4.3  TMD减震效果  / 279
    7.4.4  桥上行车安全性影响  / 282
7.5  基于能量平衡的高速铁路桥梁性能设计方法  / 283
    7.5.1  能量设计方法原理  / 284
    7.5.2  性能设计方法验证  / 292
7.6  本章小结  / 299
第8章  研究结论与展望  / 300
8.1  研究结论  / 300
8.2  研究展望  / 302
参考文献  / 304