CN103698140B - 地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，包括桥梁模型和列车模型；桥梁模型底部设有用以支撑桥梁模型并调节桥梁模型倾斜角度和水平位置的支撑架组件，桥梁模型的桥面上铺设有轨道板，轨道板上铺设有用以引导列车模型行车路线的列车轨道以及用以防止列车模型坠落的中心轨道，列车轨道与中心轨道相互平行；桥梁模型包括利用倾斜角度调节列车模型预定速度的第一支撑段、用以进行车-桥耦合振动试验的试验段以及利用倾斜角度停止列车模型运行的第二支撑段，第一支撑段和第二支撑段分别连接在试验段的两端。上部列车引起桥梁的弱作用与振动台引起桥梁震动的强作用相互耦合，实现列车和地震的混合模拟系统。

Description

地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统

技术领域

本发明涉及铁路桥上列车模拟装置技术领域，具体涉及一种地震作用下列车安全走行的动态模拟试验系统。

背景技术

我国铁路事业虽然起步晚，但是发展迅猛，如今不论是总里程和运行速度都排在世界前列。由于我国地域辽阔，地质条件复杂，铁路不可避免的要跨越许多山川峡谷、江河湖泊等恶劣地理区域，故桥梁在铁路线路中所占比重大，尤其是近几年高铁线路。高速铁路为满足线路平顺性和稳定性的要求，往往连续几公里甚至十几公里都采用高架桥，使得地震发生时列车在桥上的几率很大。地震作用下列车脱轨或倾覆事故国内外时有发生，我国是地震多发国家，研究地震作用下高速列车的安全、舒适运行及车桥耦合振动性能成为各级政府和人民群众关注的焦点。地震作用下列车运行稳定性及车桥耦合振动的研究现仍局限于理论分析和数值模拟，缺乏试验验证，主要原因是相关的试验设备和试验技术少。因此，研究一种新型振动台列车动态模拟试验系统意义重大。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明专利提供了一种地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，通过模拟实际桥梁、轨道和列车进行实物重现的地震模拟测试。根据高速铁路振动台实验室特点，将四台阵系统改造成可以运行列车的振动台系统，从而可以作到上部列车引起桥梁的弱作用与振动台引起桥梁震动的强作用相互耦合，实现列车和地震的混合模拟系统。

为了实现上述技术目的，本发明专利的技术方案是：一种地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，包括桥梁模型和列车模型；桥梁模型底部设有用以支撑桥梁模型并调节桥梁模型倾斜角度和水平位置的支撑架组件，桥梁模型的桥面上铺设有轨道板，轨道板上铺设有用以引导列车模型行车路线的列车轨道以及用以防止列车模型坠落的中心轨道，列车轨道与中心轨道相互平行；桥梁模型包括利用倾斜角度调节列车模型预定速度的第一支撑段、用以进行车-桥耦合振动试验的试验段以及利用倾斜角度停止列车模型运行的第二支撑段，第一支撑段和第二支撑段分别连接在试验段的两端。

本发明还在于，动态模拟试验系统为铺设有两条并行列车轨道的双线系统。

本发明还在于，轨道板与支撑架组件之间通过铰接连接。

本发明还在于，轨道板包括直轨道板和弧形轨道板；直轨道板设置在第一支撑段、试验段和第二支撑段三者的平板面上，弧形轨道板设置在第一支撑段与试验段的转角部位上以及试验段与第二支撑段之间的转角部位上；直轨道板与弧形轨道板之间采用弧形圆滑连接。

本发明还在于，直轨道板、弧形轨道板、列车轨道、中心轨道中的至少一个为分段可拆卸的分段构件。

本发明还在于，第一支撑段上设有用以调节第一支撑段相对于试验段的倾斜角度和水平位置的电葫芦和铰链装置；第二支撑段上设有用以调节第二支撑段相对于试验段的倾斜角度和水平位置的电葫芦和铰链装置。

本发明还在于，第一支撑段和/或第二支撑段分别在顶部设有用以固定和列车模型的挂钩装置以及用以启动列车模型的脱钩装置。

本发明还在于，支撑架组件包括用以固定动态模拟试验系统的固定支撑柱、用以支撑桥梁模型桥面高度的水平支撑横梁、用以固定桥梁模型水平位置的纵向支撑横梁以及用以调节水平支撑横梁高度的活动支撑柱；水平支撑横梁两端分别支撑在固定支撑柱上，或者水平支撑横梁两端分别支撑在活动支撑柱上；纵向支撑横梁两端分别固定在水平支撑横梁上。

本发明还在于，固定支撑柱和/或活动支撑柱底部设有用以将上部集中荷载分散的支撑固定底座。

本发明还在于，第一支撑段和/或第二支撑段底部的固定支撑柱和/或活动支撑柱上预留有用以调节第一支撑段和/或第二支撑段高度位置的螺栓孔；固定支撑柱和/或活动支撑柱上还设有用以调节第一支撑段和/或第二支撑段倾斜角度的电葫芦。

本发明还在于，第一支撑段和/或第二支撑段底部的水平支撑横梁上预留有用以调节第一支撑段和/或第二支撑段水平方向位置的螺栓孔。

本发明还在于，轨道板上预留有槽内深浅变化并用以列车轨道之间无极调节的的螺栓槽，螺栓槽内还铺设有用以调整槽内摩擦系数的摩擦材料。

本发明还在于，中心轨道的截面形状为I形，列车模型底部设有截面形状为与中心轨道相匹配的开口环形状的卡扣结构，卡扣结构与I形轨道相互嵌套。

本发明还在于，第一支撑段与试验段之间通过用以消除列车模型的振动特征的橡胶连接件进行连接；第二支撑段与试验段之间通过用以消除列车模型的振动特征的橡胶连接件进行连接。

本发明还在于，桥梁模型底部还设有用以提供地震模拟条件的振动台系统。

本发明还在于，中心轨道上设有橡胶中心引导轨；列车轨道上设有橡胶列车引导轨。

一种地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，系统为双线，编号I号线、II号线，整个系统分为第一支撑段Z1、第二支撑段Z2和试验段S三段，由轨道板、列车轨道、中心导轨、支撑架、电葫芦、铰接装置、挂钩/脱钩装置、桥梁模型和列车模型等组成，列车轨道和中心导轨通过轨道卡扣安装于轨道板上，轨道板固定于桥梁模型及支撑架上，支撑架支撑着第一支撑段Z1、第二支撑段Z2，并通过电葫芦和铰接装置实现系统坡度和水平可调，中心导轨用于防止列车坠落，挂钩/脱钩装置用于固定和停止列车模型，试验时列车模型通过一端第一支撑段Z1达到预定速度后，在中间试验段S进行车-桥耦合振动试验，之后冲上另一端第二支撑段Z2通过挂钩装置将列车停止。或者试验时列车模型通过一端第二支撑段Z2达到预定速度后，在中间试验段S进行车-桥耦合振动试验，之后冲上另一端第一支撑段Z1通过特制挂钩装置将列车停止。整个系统为地震作用下的列车脱轨，桥梁–列车耦合振动性能等的试验研究提供了技术保证。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的设计相同，兼有加速和停止功能。I号线、II号线的第一支撑段Z1、第二支撑段Z2设有特制的/脱钩装置，可有效的防止列车上坡后倒溜。I号线、II号线的倾斜的和水平的直轨道板采用弧形轨道板进行弧形圆滑连接。列车轨道和中心钢轨与轨道板密贴。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的列车轨道、中心轨道和轨道板分段可拆卸。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的倾斜轨道与支撑架水平横梁铰接。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的支撑架支撑柱上预留有螺栓孔，固定支撑柱上端还有电葫芦，可以实现轨道系统的整体竖直升降和倾斜轨道的斜坡调整。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的支撑架水平横梁中部预留有螺栓孔，可以实现整个系统的整体水平左右移动。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的轨道板上预留有螺栓槽，螺栓槽分深浅设计，通过铺特制摩擦材料调整摩擦系数可保证固定稳固，从而可以实现列车轨距的无极调整，以满足不同缩尺比例的列车模型轨距要求。中心钢轨呈I形，列车模型底部配套设置有一排紧闭环形结构，于I形轨道相互嵌套，列车脱轨后可保证其不掉下列车轨道。中心钢轨在中间试验段形态为两端高中间低，可以通过摩擦模拟列车减速。中心钢轨和支撑架均采用型钢焊接。支撑架短支撑柱不用时可拆卸，节省厂房空间。试验段S和第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的轨道采用橡胶连接，解决在试验过程中，试验段晃动而于支撑段对不准的问题。试验段S和第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的轨道采用橡胶连接，试验时用于列车加速一侧的轨道可于试验段S断开，从而不影响列车的上桥振动特征。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2和试验S段轨道可通过在其底部垫钢圈、钢板等垫片材料调节，保证竖向精确对接。整个试验系统为双线，可完成单列火车运行，两车会车或并行等运行工况下静力、动力试验研究。整套系统还可用于汽车过桥的耦合振动研究。

本发明专利有益效果在于：

（1）系统功能特色。系统可以试验模拟地震下上部列车引起桥梁的弱作用与振动台引起桥梁震动的强作用相互耦合，实现列车和地震的混合模拟，可完成单列火车运行，两车会车或并行等运行工况下静力、动力试验研究，为地震作用下的列车运行稳定性及车桥耦合振动性能的试验研究提供了技术保证。

（2）精度保证。试验系统通过实物缩尺设计，保留了轮轨关系及轨道、轨道板和桥梁之间的关系。列车加速启动段有一定弧形，随后至少保证有一节车厢长度的水平段，确保列车运行稳定后再上桥，最大限度的减小加速引起的振动影响。启动段水平向、竖直向及坡度均可调整，确保列车模型上桥速度及最大限度的减少冲击影响。以上可确保试验具有足够的精度。

（3）安全保证。中间试验段中心轨道设计为I形，列车模型底部配套设置有一排紧闭环形结构，于I形轨道相互嵌套。正常运行时紧闭环形结构与I形轨道脱离，没有接触，既能够保证不妨碍试验模拟列车的脱轨，必要时又能起到模拟列车减速的作用，但是，一旦试验过程中列车脱轨，列车模型底部的紧闭环形结构立刻与中心I形导轨相互作用，被中心导轨限制住，保证列车不掉下试验装置，毁害实验设备及振动台系统。确保了整个系统的安全性及可运行性。

（4）整套系统具有可拆卸性，可以节省厂房空间，不影响振动台的正常使用。以上特点为地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验研究提供了技术保证。

下面结合附图对本发明专利作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例的区段划分示意图；

图2为整个试验系统的三维模型图；

图3为系统支撑段Z1、Z2的三维图；

图4为倾斜轨道板和水平支撑横梁的铰接装置及轨道板螺栓槽示意图；

图5为系统支撑架三维图；

图6为支撑段Z1、Z2与试验段S连接的橡胶引导轨三维图；

图7为特制挂钩/脱钩装置示意图；

图8为中间试验段横断面示意图；

图9为防脱轨装置断面示意图；

其中1为列车轨道，2为中心导轨，3为轨道板（包括：301为直轨道板，302为弧形轨道板），4为支撑架（包括：401为固定支撑柱，402为活动支撑柱，403为水平支撑横梁，404为纵向支撑横梁，405为支撑固定底座），501为电葫芦，502为钢缆绳，6为挂/脱钩装置（包括：601为脱钩装置，602为挂钩装置），7为铰接装置，801为橡胶列车引导轨，802为橡胶中心引导轨，9为列车模型，10为保护钢卡槽，11为桥梁模型，12为振动台系统，13为螺栓，14为轨道卡扣，15为轨道板螺栓槽，16为水平支撑横梁螺栓孔。

具体实施方式

下面对本发明专利技术内容的进一步说明，但并非对本发明专利实质内容的限制。

图1为一种地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统的区段划分示意图，整个系统分为三个区段，分别为第一支撑段Z1、第二支撑段Z2和试验段S，其中第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的设计相同。整个系统三维模型图见图2，为双线试验系统，可完成单列火车运行，两车会车或并行等运行工况下静力、动力试验研究，系统主要由振动台试验系统12，桥梁模型11，列车模型9，行走装置包括列车轨道1、中心导轨2和轨道板3，支撑架组件4、5，挂/脱钩装置6等组成。图3为支撑段Z1、Z2的三维图，由图知列车轨道1和中心钢轨2通过轨道卡扣14固定于直轨道板301和弧形轨道板302上，倾斜和水平布置的直轨道板301通过弧形轨道板302实现圆滑连接，其中列车轨道1、中心钢轨2、直轨道板301和弧形轨道板302均采用分段拼接，列车轨道1和中心钢轨2与直轨道板301和弧形轨道板302密贴，倾斜布置的直轨道板301通过铰接装置7于水平支撑横梁403实现铰接，从而实现坡度可调。在上下升降调节坡度时，纵向支撑横梁404按尺寸要求进行更换。整个区段由支撑架4支撑，支撑架4三维图见图5，其由六根固定支撑柱401和/或活动支撑柱402，四根纵向支撑横梁404和四根水平支撑横梁403构成。固定支撑柱401、活动支撑柱402、水平支撑横梁403、纵向支撑横梁404均由二块250mm×15mm钢板和一块400mm×20mm钢板焊接组成，纵向支撑横梁404通过螺栓与水平支撑横梁403连接，水平支撑横梁403则通过螺栓分别于固定支撑柱401、活动支撑柱402连接，固定支撑柱401、活动支撑柱402通过螺栓安装在支撑固定底座405上。其中固定支撑柱401高10m，固定于厂房柱旁边不可拆卸；活动支撑柱402高3m，平时不用可拆卸保存起来，只留下支撑固定底座405，这样可大大节省厂房空间。固定支撑柱401和活动支撑柱402上端2m范围内预先留有两排间隔100mm的螺栓孔，固定支撑柱401的顶端安装有大型电葫芦501，电葫芦501通过钢缆绳502与水平支撑横梁403连接，通过两端电葫芦501的同步起吊配合千斤顶，可以实现轨道系统的整体竖直升降和倾斜的直轨道板301的斜坡调整。固定支撑柱401与活动支撑柱402之间相隔8m，直轨道板301的斜坡角度可在0°～50°之间调整，系统最大可提供14.0m/s的速度。两根活动支撑柱402之间相隔7m，保证最大缩尺比1/4情况下，至少加速后有一节车厢处于水平状态，随后才进入试验段S进行试验。水平支撑横梁403中间亦预先留有水平支撑横梁螺栓孔16，可以实现整体轨道系统的水平调整，以实现和中间试验段S的准确连接。第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的轨道板3亦预留有轨道板螺栓槽15，轨道板螺栓槽15分深浅设计，通过铺特制摩擦材料调整摩擦系数可保证固定稳固，从而可以实现列车轨距的无极调整，以满足不同缩尺比例的列车模型9轨距要求。中间试验段S和第一支撑段Z1、第二支撑段Z2通过橡胶列车引导轨801、橡胶中心引导轨802连接，如图6所示，橡胶列车引导轨801、橡胶中心引导轨802的作用是，即使在试验振动过程中，仍可保证第一支撑段Z1、第二支撑段Z2和中间试验段S的轨道连接。试验段S和第一支撑段Z1、第二支撑段Z2的列车轨道1和/或中心导轨2采用橡胶连接，试验时用于列车加速一侧的列车轨道1和/或中心导轨2可于试验段S断开，从而不影响列车的上桥振动特征。动态模拟试验系统为铺设有两条并行列车轨道的双线系统，包括I号线和II号线。以I号线为例，列车模型9由I号线第一支撑段Z1滑下，通过重力做正功将重力势能转化成动能，使列车达到预定试验速度后，在中间试验段S进行车-桥耦合振动模拟试验，之后冲上I号线第二支撑段Z2，重力做负功，速度减小，最后通过特制挂钩/脱钩装置6（脱钩装置601和挂钩装置602）将列车停止，II号线类同。挂钩/脱钩装置6的特点是钩子前面是弧形设计，保证列车前的挂钩能顺利平稳的和挂钩装置602的钩子接触，从而可有效的防止列车上坡后倒溜。试验段S主要包括直轨道板301，列车轨道1，中心导轨2，列车模型9及焊接在列车模型9上的特制保护钢卡槽10，列车卡扣14以及桥梁模型11，振动台系统12等。列车轨道1和中心导轨2同样通过了轨道卡扣14固定于直轨道板301上，直轨道板301连接在桥梁模型11上，整个实验区段通过桥墩布置在振动台系统12上。中心钢轨2的截面形状为I型，两端翼缘钢板为150mm×40mm、250mm×30mm，中间腹板为300mm×50mm，采用焊接连接。特制保护卡槽10通过缩口设计紧密包围中心钢轨2，形成相互嵌套，但是又预留有足够的空隙（例如上下预留35mm，左右预留25mm的空隙），这样列车脱轨后可保证其不掉下轨道，确保了整个系统的安全运行。通过以上设计为地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验研究提供了技术保证。

Claims (14)

1.一种地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，包括桥梁模型和列车模型；桥梁模型底部设有用以支撑桥梁模型并调节桥梁模型倾斜角度和水平位置的支撑架组件，桥梁模型的桥面上铺设有轨道板，轨道板上铺设有用以引导列车模型行车路线的列车轨道以及用以防止列车模型坠落的中心轨道，列车轨道与中心轨道相互平行；桥梁模型包括利用倾斜角度调节列车模型预定速度的第一支撑段、用以进行车-桥耦合振动试验的试验段以及利用倾斜角度停止列车模型运行的第二支撑段，第一支撑段和第二支撑段分别连接在试验段的两端；

第一支撑段和/或第二支撑段分别在顶部设有用以固定和列车模型的挂钩装置以及用以启动列车模型的脱钩装置；

支撑架组件包括用以固定动态模拟试验系统的固定支撑柱、用以支撑桥梁模型桥面高度的水平支撑横梁、用以固定桥梁模型水平位置的纵向支撑横梁以及用以调节水平支撑横梁高度的活动支撑柱；水平支撑横梁两端分别支撑在固定支撑柱上，或者水平支撑横梁两端分别支撑在活动支撑柱上；纵向支撑横梁两端分别固定在水平支撑横梁上。

2.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，动态模拟试验系统为铺设有两条并行列车轨道的双线系统。

3.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，轨道板与支撑架组件之间通过铰接连接。

4.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，轨道板包括直轨道板和弧形轨道板；直轨道板设置在第一支撑段、试验段和第二支撑段三者的平板面上，弧形轨道板设置在第一支撑段与试验段的转角部位上以及试验段与第二支撑段之间的转角部位上；直轨道板与弧形轨道板之间采用弧形圆滑连接。

5.根据权利要求4所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，直轨道板、弧形轨道板、列车轨道、中心轨道中的至少一个为分段可拆卸的分段构件。

6.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，第一支撑段上设有用以调节第一支撑段相对于试验段的倾斜角度和水平位置的电葫芦和铰链装置；第二支撑段上设有用以调节第二支撑段相对于试验段的倾斜角度和水平位置的电葫芦和铰链装置。

7.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，固定支撑柱和/或活动支撑柱底部设有用以将上部集中荷载分散的支撑固定底座。

8.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，第一支撑段和/或第二支撑段底部的固定支撑柱和/或活动支撑柱上预留有用以调节第一支撑段和/或第二支撑段高度位置的螺栓孔；固定支撑柱和/或活动支撑柱上还设有用以调节第一支撑段和/或第二支撑段倾斜角度的电葫芦。

9.根据权利要求1所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，第一支撑段和/或第二支撑段底部的水平支撑横梁上预留有用以调节第一支撑段和/或第二支撑段水平方向位置的螺栓孔。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，轨道板上预留有槽内深浅变化并用以列车轨道之间无极调节的的螺栓槽，螺栓槽内还铺设有用以调整槽内摩擦系数的摩擦材料。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，中心轨道的截面形状为I形，列车模型底部设有截面形状为与中心轨道相匹配的开口环形状的卡扣结构，卡扣结构与I形轨道相互嵌套。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，第一支撑段与试验段之间通过用以消除列车模型的振动特征的橡胶连接件进行连接；第二支撑段与试验段之间通过用以消除列车模型的振动特征的橡胶连接件进行连接。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，桥梁模型底部还设有用以提供地震模拟条件的振动台系统。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的地震下铁路桥上列车走行安全的动态模拟试验系统，其特征在于，中心轨道上设有橡胶中心引导轨；列车轨道上设有橡胶列车引导轨。