CN112179600B - 一种高铁防灾减灾试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高铁防灾减灾试验系统及方法，该系统包括：高铁线路模型，高铁线路模型包括高铁有砟轨道模型、高铁无砟轨道模型、桥梁模型、隧道模型；震动模拟装置，震动模拟装置设置于高铁线路模型的下方并承载高铁线路模型；降雨模拟装置，降雨模拟装置设置于高铁线路模型的上方；温度模拟装置，温度模拟装置的出风口设置于高铁线路模型的四周；控制装置，控制装置用于与震动模拟装置、温度模拟装置、降雨模拟装置进行通信。本发明的试验系统及方法在震动模拟装置上建立高铁线路模型，再结合降雨模拟装置、温度模拟装置，模拟了高铁线路所处的降雨、干湿循环、严寒、高温、风灾、地震等恶劣环境，从而为高铁防灾减灾研究提供一种综合系统。

Description

一种高铁防灾减灾试验系统及方法

技术领域

本发明涉及高速铁路工程模拟技术领域，特别涉及一种高铁防灾减灾试验系统及方法。

背景技术

目前针对恶劣环境条件下高速铁路工程的防灾减灾研究主要集中在暴雨、严寒、高温、风灾以及地震灾害等领域，但针对上述恶劣环境下的灾害试验研究较为分散，尚未形成一套完整的可同时适用于多种主要灾害研究的试验平台；且目前各项试验研究大多只考虑一至两种灾害作用，缺乏多种恶劣环境耦合作用下试验研究平台。

发明内容

为解决上述至少一个技术问题，本说明书实施例提供了一种高铁防灾减灾试验系统及方法。

一方面，本说明书实施例提供的一种高铁防灾减灾试验系统，包括：

高铁线路模型，所述高铁线路模型包括高铁有砟轨道模型、高铁无砟轨道模型、桥梁模型、隧道模型；

震动模拟装置，所述震动模拟装置设置于所述高铁线路模型的下方并承载所述高铁线路模型；

降雨模拟装置，所述降雨模拟装置设置于所述高铁线路模型的上方；

温度模拟装置，所述温度模拟装置的出风口设置于所述高铁线路模型的四周；

控制装置，所述控制装置用于与所述震动模拟装置、所述温度模拟装置、所述降雨模拟装置进行通信。

另一方面，本说明书实施例提供的一种高铁防灾减灾试验方法，包括：

布置上述的高铁防灾减灾试验系统；

基于所述降雨模拟装置进行降雨模拟；

基于所述震动模拟装置进行震动模拟；

基于所述温度模拟装置进行升温模拟或降温模拟。

由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本发明实施例在震动模拟装置上建立高铁线路模型，再结合降雨模拟装置、温度模拟装置，模拟了高铁线路所处的降雨、干湿循环、严寒、高温、风灾、地震等恶劣环境，从而为高铁防灾减灾研究提供一种综合系统。

附图说明

图1为本说明书一些实施例的高铁防灾减灾试验系统的三维示意图。

图2为本说明书一些实施例的高铁防灾减灾试验系统的平面布置图。

图3为本说明书一些实施例的子震动台的平面布置图。

图4是本说明书一些实施例的高铁防灾减灾试验方法的流程图。

图5是本说明书一些实施例的高铁防灾减灾试验方法的细化流程图。

附图说明：1、高铁线路模型；2、出风口；3、子震动台；4、分区降雨箱；5、风机；6、加热装置；7、制冷装置；8、高铁有砟轨道模型；9、高铁无砟轨道模型；10、桥梁模型；11、隧道模型。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。

如图1至图3所示，本说明书一些实施例中提供了一种高铁防灾减灾试验系统，包括高铁线路模型1，高铁线路模型1包括高铁有砟轨道模型8、高铁无砟轨道模型9、桥梁模型10、隧道模型11；震动模拟装置，震动模拟装置设置于高铁线路模型1的下方并承载高铁线路模型1；降雨模拟装置，降雨模拟装置设置于高铁线路模型1的上方；温度模拟装置，温度模拟装置的出风口2设置于高铁线路模型1的四周；控制装置，控制装置用于与震动模拟装置、温度模拟装置、降雨模拟装置进行通信。高铁线路模型1可以基于高铁线路原型按1:10的构造比例进行构造。

在本说明书一些实施例中，高铁有砟轨道模型8从下至上依次设置有第一地基模型、第一基床模型、道砟模型、轨枕模型、第一钢轨模型，轨枕模型可采用Ⅲ型砼轨枕模型，Ⅲ型砼轨枕模型级配为16根/米，轨枕模型之间可以设置有防爬撑组件，防爬撑组件可以包括防爬撑、连接钢板、螺栓，防爬撑上可以预设有与螺栓相匹配的螺栓孔；高铁无砟轨道模型9从下至上依次设置有第二地基模型、第二基床模型、底座板、轨道板、第二钢轨模型，前述轨道板可以采用Ⅲ型板按1：10比例制作；第一基床模型和第二基床模型均包括从下至上依次设置的基床底层和基床表层；桥梁模型10包括简支箱梁、支座、桥墩、重力式桥台，桥墩用于支撑简支箱梁的中间部分，简支箱梁的两个端部通过支座支撑在重力式桥台上；隧道模型11包括人工模拟山体模型和隧道衬砌模型。

在本说明书一些实施例中，降雨模拟装置，包括降雨装置和供水装置；降雨装置，降雨装置包括分区降雨箱4、止回阀、分向阀、降雨针头；止回阀设置在分区降雨箱4的底部，分向阀的第一出水口与降雨针头相连，分向阀的第二出水口与止回阀相连，分区降雨箱4还设置有排水管路，排水管路上设置有排水阀；分区降雨箱4包括依次设置在高铁有砟轨道模型8、高铁无砟轨道模型9、桥梁模型10、隧道模型11上方的第一分区、第二分区、第三分区和第四分区；供水装置，供水装置包括进水管路、流量计、水泵、供水管路、流量控制阀；进水管路的一端与水源相连，进水管路的另一端与水泵的入口相连，水泵的出口与供水管路的入口相连，供水管路的出口与分区降雨箱4的入口相连，分区降雨箱4的入口的上游设置有流量控制阀，流量控制阀用于控制由供水管路流向分区降雨箱4的分区的流量；流量计设置于进水管路，用于监测进水管路的总流量和瞬时流量。本实施例可利用水泵与流量计调节一级水管的流量，通过流量控制阀控制每个降水区域顺流的开关及其流量的大小。

在本说明书一些实施例中，温度模拟装置包括制冷装置7、加热装置6、风机5、导风墙、保温隔热板、温控主机，风机5的送风口分别与制冷装置7和加热装置6相连通，导风墙设置在高铁线路模型1的四周，且导风墙上设置有出风口2，出风口2可以设置多个，比如，在导风墙的纵向等间距设置4个出风口2，横等间距设置3个出风口2；导风墙的内壁还设置有保温隔热板；温控主机用于控制制冷装置7、加热装置6和风机5。

在本说明书一些实施例中，震动模拟装置包括震动台、位于震动台上方的承载平台、液压控制系统、波形复现控制系统；承载平台用于承载高铁线路模型1；震动台包括子震动台3，子震动台3包括水平X向作动器、水平Y向拉杆组件、垂直Z向拉杆组件；液压控制系统用于控制水平X向作动器、水平Y向拉杆组件、垂直Z向拉杆组件；波形复现控制系统用于复现波形，模拟地震波。

在本说明书一些实施例中，震动台包括6个子震动台3，每1对子震动台3对应1个震动区域。

在本说明书一些实施例中，水平X向作动器的最大幅值为±150mm，最大频率为50Hz，最大加速度为1.5g，旋转角度±30°，摆动角度±10°，承载力630kN；

水平Y向拉杆组件、垂直Z向拉杆组件的连接铰的旋转角度为±45°，摆动角度为±9°，承载力为50吨。

另一方面，如图4、图5所示，本说明书一些实施例还提供了一种高铁防灾减灾试验方法，方法包括：

步骤S1.布置高铁防灾减灾试验系统；高铁减灾实验系统可以是前述实施例中所述的高铁防灾减灾试验系统；

步骤S2.基于降雨模拟装置进行降雨模拟；

步骤S3.基于震动模拟装置进行震动模拟；

步骤S4.基于温度模拟装置进行升温模拟或降温模拟。

所述步骤S2中，还可以包括步骤S21。

步骤S21.控制供水装置进行供水，基于设定的供水总流量

和流量计监测 的实际供水流量

，当实际供水流量

与理论供水总流量

不 同时，调节水泵；当实际供水流量

与设定的供水总流量

相同时，基于 分区降雨箱4的预设降雨区域和预设降雨区域的降雨强度，控制与预设降雨区域相对应的 流量控制阀的开度，进行降雨；关闭与预设降雨区域相对应的流量控制阀，结束降雨，关闭 水泵，停止供水系统，打开排水阀，排出分区降雨箱4的剩余水流。

所述步骤S4中，还可以包括步骤S41。

步骤S41.基于来风方向打开导风墙的出风口2；基于温控主机比较环境设定温度与环境实际温度，当环境设定温度大于环境实际温度时，启动加热装置6，当环境设定温度小于环境实际温度时，启动制冷装置7，当环境设定温度等于环境实际温度时，基于加热装置6或制冷装置7维持环境实际温度。

所述步骤S3中，还可以包括步骤S31。

步骤S31.基于第一对子震动台3对桥梁模型10和隧道模型11进行震动模拟；基于第二对子震动台3对高铁有砟轨道模型8进行震动模拟；基于第三对子震动台3对高铁无砟轨道模型9进行震动模拟。

作为优选，高铁防灾减灾试验方法还可以包括步骤S5。

步骤S5.基于温度模拟装置的风机5和设定的风机5转速，对高铁线路模型1进行大风模拟。

结合图1至图5，下面针对高铁防灾减灾试验方法具体解释如下：

步骤1：图2为高铁线路防灾减灾试验系统的平面布置图，按图2所示安装振动台（震动模拟装置的一部分）、高铁线路模型、降雨装置（相当于上文的降雨模拟装置）、温控风洞（相当于上文的温度模拟装置）。各体系安装步骤如下：

安装1号振动区、2号振动区、3号振动区的振动平台，其中，1号振动区可对应高铁有砟轨道模型所在区域，2号振动区可对应桥梁模型和隧道模型所在区域，3号振动区可对应高铁无砟轨道模型所在区域；

填筑地基、路基底层、路基表层；

在高铁线路模型下侧分节段安装隧道衬砌模型；

在高铁线路模型上侧安装桥梁模型；

铺设枕模型，并可以间隔6对轨枕安装防爬撑组件；

在无渣线路铺设底座板与轨道板；

在线路上铺设钢轨并精调；

在高铁线路模型上空安装降雨装置；

安装温控风洞。

启动降雨控制系统，在程序界面设定1号振动区供水流量Q₁，设定3号振动区的供 水流量Q₃，实时监测供水总流量

并进行校正，模拟1号振动区、3号振动区的降雨，预 计降雨时间可以为10min，降雨控制系统自动记录并绘制雨强曲线图。

步骤3：启动2号振动区所对应的子振动台，在波形复现控制程序中输入地震波，对桥梁与隧道段模拟地震作用，进行振动台试验研究。

步骤4：降雨结束后，启动温控风洞，温控系统界面检测当前环境温度为T₀，在系统界面输入预定温度T₁；当T₁> T₀时，系统自动启动加热设备；当T₁<T₀时，系统自动启动制冷设备。

步骤5：在温控风洞的风速控制系统界面可以输入并设计风速V₁=4m/s，前述风速控制系统根据风速调节风机的输出功率P_出，实现风速的调节。

步骤6：温控风洞将步骤4中加热设备产生的热空气输送到导风墙，打开3号振动区所对应导风墙的出风口，对3号振动区的路基模拟环境升温，每次升温时间可以为20min。

步骤7：对3号振动区降雨区域重复步骤4~步骤6，可模拟3号振动区的干湿循环试验。

步骤8：3号振动区试验结束后，在温控风洞的温控界面输入T₂=-20℃，风速控制界面输入设计风速V₂=5m/s，关闭3号振动区所对应的出风口，打开1号振动区所对应的出风口，对1号振动区的高铁线路模型输入冷空气，模拟高铁路基的严寒试验环境。

步骤9：1号振动区严寒环境试验结束后，可以调节温控界面设计温度为T₂=60℃，即可模拟高铁路基的高温试验环境。

步骤10：高温环境试验结束后，温控风洞温度控制设定为常温T₀，并且可以将风速设定为V₃=18m/s，可以打开桥梁段导风墙出风口，模拟桥梁在大风作用下的试验环境。

步骤11：试验结束后，关闭风洞、关闭导风墙出风口，清理现场，试验结束。

如图5所示，试验平台设置了相互独立的1号振动区、2号振动区和3号振动区，这三个振动区既可以单独振动，也可以协同振动，协同振动包括全区协同振动的形式，即1号振动区、2号振动区和3号振动区同时振动；此外，试验平台还设置了降雨装置和温控风洞，以便模拟各工况耦合作用，具体而言，可以通过将降雨装置、振动台、温控风洞的作用进行耦合，以实现对各工况耦合作用的模拟。

综上，本试验系统实施例根据实际工程与高铁设计规范，按1：10的比例建立模型，本模型包括高铁路基、桥梁、隧道、无砟轨道、有砟轨道，为高铁线路防灾减灾研究提供了试验对象。本试验系统实施例的震动模拟装置的振动台可以采用分区独立、协同设计，即试验平台分为三个振动区域，其中，每个区域既可单独振动，也可同时振动。该功能可有效模拟高铁线路的区间地震与长大干线地震。本试验系统实施例的温度模拟装置，采用风机与制冷加热设备结合的方式，通过导风墙不同出风口的开关，实现高铁线路模型不同方向的风荷载与环境升降温功能。本试验系统实施例将人工模拟降雨、制冷、温控、风洞、振动功能集中于一体，既可加载单一作用，也可同时加载上述作用，可有效模拟高铁线路在降雨、严寒、高温、干湿循环、风灾、地震等单一或任意作用耦合下的恶劣环境试验条件。

虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。本发明是参照根据本发明实施例的方法的流程图和/或方框图来描述的。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种高铁防灾减灾试验系统，其特征在于，包括，

高铁线路模型，所述高铁线路模型包括高铁有砟轨道模型、高铁无砟轨道模型、桥梁模型、隧道模型；

震动模拟装置，所述震动模拟装置设置于所述高铁线路模型的下方并承载所述高铁线路模型；

降雨模拟装置，所述降雨模拟装置设置于所述高铁线路模型的上方；

温度模拟装置，所述温度模拟装置的出风口设置于所述高铁线路模型的四周；

控制装置，所述控制装置用于与所述震动模拟装置、所述温度模拟装置、所述降雨模拟装置进行通信；

所述降雨模拟装置，包括降雨装置和供水装置；

所述降雨装置包括分区降雨箱、止回阀、分向阀、降雨针头；所述止回阀设置在所述分区降雨箱的底部，所述分向阀的第一出水口与所述降雨针头相连，所述分向阀的第二出水口与所述止回阀相连，所述分区降雨箱还设置有排水管路，所述排水管路上设置有排水阀；所述分区降雨箱包括依次设置在高铁有砟轨道模型、高铁无砟轨道模型、桥梁模型、隧道模型上方的第一分区、第二分区、第三分区和第四分区；

所述供水装置包括进水管路、流量计、水泵、供水管路、流量控制阀；

所述进水管路的一端与水源相连，所述进水管路的另一端与所述水泵的入口相连，所述水泵的出口与所述供水管路的入口相连，所述供水管路的出口与所述分区降雨箱的入口相连，所述分区降雨箱的入口的上游设置有流量控制阀，所述流量控制阀用于控制由所述供水管路流向所述分区降雨箱的分区的流量；所述流量计设置于所述进水管路，用于监测所述进水管路的总流量和瞬时流量。

2.根据权利要求1所述的高铁防灾减灾试验系统，其特征在于，

所述高铁有砟轨道模型从下至上依次设置有第一地基模型、第一基床模型、道砟模型、轨枕模型、第一钢轨模型，所述轨枕模型之间设置有防爬撑组件，所述防爬撑组件包括防爬撑、螺栓，所述防爬撑上预设有与所述螺栓相匹配的螺栓孔；

所述高铁无砟轨道模型从下至上依次设置有第二地基模型、第二基床模型、底座板、轨道板、第二钢轨模型；

所述第一基床模型和第二基床模型均包括从下至上依次设置的基床底层和基床表层；

所述桥梁模型包括简支箱梁、支座、桥墩、重力式桥台，所述桥墩用于支撑所述简支箱梁的中间部分，所述简支箱梁的两个端部通过所述支座支撑在所述重力式桥台上；

所述隧道模型包括人工模拟山体模型和隧道衬砌模型。

3.根据权利要求1所述的高铁防灾减灾试验系统，其特征在于，

所述温度模拟装置包括制冷装置、加热装置、风机、导风墙、保温隔热板、温控主机，所述风机的送风口分别与所述制冷装置和所述加热装置相连通，所述导风墙设置在所述高铁线路模型的四周，且所述导风墙上设置有所述出风口，所述导风墙的内壁还设置有所述保温隔热板；所述温控主机用于控制所述制冷装置、所述加热装置和所述风机。

4.根据权利要求1所述的高铁防灾减灾试验系统，其特征在于，

所述震动模拟装置包括震动台、位于所述震动台上方的承载平台、液压控制系统、波形复现控制系统；

所述承载平台用于承载所述高铁线路模型；

所述震动台包括子震动台，所述子震动台包括水平X向作动器、水平Y向拉杆组件、垂直Z向拉杆组件；

所述液压控制系统用于控制所述水平X向作动器、所述水平Y向拉杆组件、所述垂直Z向拉杆组件；

所述波形复现控制系统用于复现波形，模拟地震波。

5.根据权利要求4所述的高铁防灾减灾试验系统，其特征在于，

所述震动台包括六个子震动台，每一个所述子震动台对应一个震动区域。

6.根据权利要求4所述的高铁防灾减灾试验系统，其特征在于，还包括，

所述水平X向作动器的最大幅值为±150mm，最大频率为50Hz，最大加速度为1.5g，所述g为重力加速度，旋转角度±30°，摆动角度±10°，承载力630kN；

所述水平Y向拉杆组件、所述垂直Z向拉杆组件的连接铰的旋转角度为±45°，摆动角度为±9°，承载力为50吨。

7.一种高铁防灾减灾试验方法，其特征在于，应用于权利要求1-6中任意一项所述的高铁防灾减灾试验系统，所述方法包括：

基于降雨模拟装置进行降雨模拟；

基于震动模拟装置进行震动模拟；

基于温度模拟装置进行升温模拟或降温模拟。

8.根据权利要求7所述的高铁防灾减灾试验方法，其特征在于，所述基于所述降雨模拟装置进行降雨模拟，还包括：

控制供水装置进行供水，基于设定的供水总流量Q_总和流量计监测的实际供水流量Q_实际，当实际供水流量Q_实际与理论供水总流量Q_理论不同时，调节水泵；

当实际供水流量Q_实际与设定的供水总流量Q_总相同时，基于分区降雨箱的预设降雨区域和预设降雨区域的降雨强度，控制与预设降雨区域相对应的流量控制阀的开度，进行降雨；

关闭与预设降雨区域相对应的流量控制阀，结束降雨，关闭水泵，停止供水系统，打开排水阀，排出分区降雨箱的剩余水流。

9.根据权利要求7所述的高铁防灾减灾试验方法，其特征在于，所述基于温度模拟装置进行升温模拟或降温模拟，还包括：

基于来风方向打开导风墙的出风口；基于温控主机比较环境设定温度与环境实际温度，当环境设定温度大于环境实际温度时，启动加热装置，当环境设定温度小于环境实际温度时，启动制冷装置，当环境设定温度等于环境实际温度时，基于加热装置或制冷装置维持环境实际温度。

10.根据权利要求7所述的高铁防灾减灾试验方法，其特征在于，所述基于震动模拟装置进行震动模拟，还包括：

基于第一对子震动台对桥梁模型和隧道模型进行震动模拟；

基于第二对子震动台对高铁有砟轨道模型进行震动模拟；

基于第三对子震动台对高铁无砟轨道模型进行震动模拟。

11.根据权利要求7所述的高铁防灾减灾试验方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于温度模拟装置的风机和设定的风机转速，对高铁线路模型进行大风模拟。

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