高速铁路结构损伤分析与安全控制研究

杨 怀 志

(京沪高速铁路股份有限公司，北京 100000)



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高速铁路结构损伤分析与安全控制研究

杨 怀 志

(京沪高速铁路股份有限公司，北京 100000)

介绍了国内外高速铁路结构损伤分析与安全控制的研究现状，反映了其中存在的问题，并展望了高速铁路结构损伤分析与安全控制的发展方向,指出加强高速铁路结构耐久性与安全控制方面的研究，对促进高速铁路的健康发展有一定的意义。

高速铁路，结构损伤分析，安全控制

1 研究的背景和意义

高速铁路通常是指列车运行速度高于200 km/h的轨道交通系统。由于其具有速度快、载客量高、安全性高、能耗低等优点，从1964年日本的新干线系统开通至今，高速铁路在世界各国得到了快速的发展。与普通铁路相比，高速铁路列车运行速度快，而轨道不平顺所引起的轮轨动力响应以及行车的安全性、平稳性和乘车舒适性都随着行车速度的提高而迅速增大[1]，这也对高速铁路结构的建设和运营状态的监测提出了更高的要求。

高速铁路的建设必须把确保安全放在首位，高速铁路结构的安全是高速铁路服役安全的关键物理支撑。由于高速铁路结构在长期服役过程中受到自然环境、使用环境、动静力荷载以及材料内部因素的作用，不可避免地发生材料性能劣化和结构损伤累积，最终造成结构承载力下降、可靠性降低、使用寿命缩短。材料性能的退化与结构损伤的积累是渐进的过程，我国高速铁路建设进展非常快且运营历史相当短暂，高速铁路结构的损伤分析与安全控制研究基本处于空白状态。因此，加强这一方面的研究来保障高速铁路结构的安全性和耐久性便显得尤为重要。

2 高速铁路结构损伤分析研究现状

高速铁路的列车运行速度通常高于200 km/h，列车的高速运行，加剧了结构的动力响应。因此，相比于公路桥梁结构，高速铁路结构更侧重于动力损伤的监测与分析。高速铁路结构的动力损伤包括疲劳损伤与灾害性动力损伤。

疲劳损伤是影响高速铁路结构系统全寿命性能与服役安全的核心问题之一。高速铁路结构的疲劳问题主要包括轨道和桥梁等结构的疲劳损伤问题[2]。在高速铁路中，较为普遍地采用无砟轨道。无砟轨道与桥梁的连接结构主要包括轨道板和水泥沥青砂浆(CA砂浆)，对于CA砂浆的疲劳特性国内外已有相当的文献给予关注[3]，但对无砟轨道结构的整体疲劳性能尚缺乏系统性研究。此外，高速铁路不仅跨江、跨河与翻山要建设大型铁路桥梁，而且在主要线路通过地区也大量采用钢筋混凝土高架桥，所以桥梁等结构的损伤问题同样影响高速铁路系统的安全运营。铁路桥梁结构疲劳性能与疲劳可靠性的研究与分析，目前仍以经验性的S—N曲线与疲劳的线性累积损伤理论为主[4]。理论研究与实验均证明，随着列车运行速度的增大，列车动力荷载、轨冲击荷载等疲劳荷载不仅强度显著增大，而且能量谱也可能发生明显的变化，因而疲劳损伤问题对高速铁路结构性能的影响将更为显著。

高速铁路结构设计使用寿命一般长达100年，而且我国高速铁路穿越的大部分地区是地震设防区和受强风影响较强的地区。因此，必须考虑服役生命周期内灾害性动力作用(地震、强风)对高速铁路结构性能的影响。桥梁抗震领域最早、同时也是应用最广泛的方法，仍然是反应谱方法。然而，在地震、强风等灾害性作用下，进行动力分析才是真实把握高速铁路结构灾害响应的有效途径。作为高速铁路结构的主要工程材料，钢材与混凝土的动力损伤本构关系，构成了高速铁路结构抗灾性能分析的重要基础。自20世纪80年代以来，损伤力学引入了混凝土本构关系研究之中，为全面反映混凝土的非线性性质提供了新的理论基础[5]。经过国内外学者的努力，混凝土弹塑性损伤本构关系的基本框架已经建立[6]。在此基础上，基于细观物理机制与多尺度建模方法，在混凝土疲劳损伤与动力损伤产生机理与随机扩散机制方面取得了重要认识[7]，目前正在向考虑率相关效应的混凝土动力损伤本构关系迈进[8]。这些研究成果获得国际学术界的高度重视，为高速铁路结构全寿命服役性能的疲劳损伤与灾变动力学模拟奠定了坚实的基础。

3 高速铁路结构安全控制研究现状

在高速铁路结构运营阶段，必须把结构的安全放在首位。基于高速铁路结构以及服役环境的在线监测，进行性能和可靠度评估及有效控制，实现高速铁路结构监控一体化，是实现高速铁路结构服役安全与可持续发展的必然要求。高速铁路结构的安全控制，主要包括结构的振动控制、长期变形控制以及耐久性和承载力的修复与性能提升。

目前，国内外高速铁路的监测重点停留在车辆以及环境因素方面，而对高速铁路结构则重点关注车桥振动以及环境振动控制方面。高速结构的振动控制主要从轨道、桥梁和地基的振动控制技术方面开展，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Dampers,TMDs)是一种可行的铁路桥梁振动控制方法。考虑到高速列车引起的振动主要集中在几个明显的频率段，在传统调谐质量阻尼器的基础上，多调谐质量阻尼器的概念(Multiple Tuned Mass Dampers,MTMDs)被运用到高速铁路桥梁的振动控制上[9]。对于刚度较大的高速铁路桥梁而言，研究开发新型的能够对高速铁路运行状况下的小变形和小幅振动进行有效控制的阻尼器具有重要意义。Museros和Martinezrodrigo[10]运用线性粘性阻尼器控制移动荷载作用下梁式结构的共振响应。湖南大学开展了约束粘弹性阻尼层以及能够在小变形情况下发挥有效耗能效果的增敏型新型阻尼器研究，将对高速铁路结构的振动控制发挥重要作用[11]。

为了有效控制列车移动荷载作用下的轨道梁的挠曲变形，高速铁路轨道梁中广泛应用了刚度大的预应力混凝土梁。预应力混凝土连续刚架桥或连续箱梁桥容易出现较为严重的斜裂缝进而产生过大的竖向挠度，对高速铁路运营安全造成严重威胁。利用智能结构系统或者可调控的智能锚具对索力进行调整可避免长期应力产生的不良影响和大大减少预应力损失，是控制结构长期变形的有效方法[12]。Bani-Hani和Alawneh[13]通过后张法预应力对移动荷载作用下桥梁振动进行主动控制。

高速铁路结构耐久性和承载力的修复与性能提升是高速铁路长期运营安全必不可少的内容。由于我国高速铁路运营时间尚短，专门针对高速铁路结构的损伤智能修复和性能提升的研究还十分欠缺。高速铁路结构性能提升依赖于损伤修复理论和方法的创新以及新材料的应用。耐久性能的提升是一个具有挑战性的问题，必须依赖于内提升外防护的方法来进行。国内外在碳纤维布加固钢筋混凝土构件、体外碳纤维筋以及高性能复合砂浆钢筋网加固预应力混凝土梁等方面开展了系列理论和实验研究。在日本，广泛采用碳纤维复合材料CFRP对高速铁路线高架桥墩柱进行抗震加固。国内，湖南大学在采用碳纤维复合材料、高性能复合砂浆钢筋网以及活性粉末混凝土等方面的研究积累可以在高速铁路预应力混凝土桥梁结构的补强加固和性能提升上发挥作用，为实现高速铁路结构的智能修复和性能提升奠定了基础。

4 研究展望

高速铁路由于运营速度快、节能环保、安全性高等优点，在世界各国得到了快速的发展。然而，由于车—桥之间的耦合作用，环境长期的侵蚀以及材料性能的退化等原因，造成了高速铁路结构及构件的损伤积累，严重影响了结构的安全运营。因此，国内外的研究者们对高速铁路结构损伤分析与安全控制进行了大量的研究。

高速铁路结构的损伤分析，主要包括疲劳损伤分析和灾害性动力损伤分析。尽管普速铁路对于疲劳损伤分析已有大量研究成果，具有重要的参考价值，但由于疲劳荷载特性的变化及时变随机环境耦合影响，直接将其推广应用于高速铁路结构的服役与安全性能评估之中将具有很大的风险，因而亟需系统性地开展深入研究工作。此外，疲劳损伤与多场耦合作用导致的性能退化之间存在耦合滋长性质。由于高速铁路结构的设计使用寿命长、多场耦合作用机制复杂，其疲劳损伤与多场耦合作用的研究目前还付之阙如。在灾变动力学模拟的研究上，地震—车—桥相互作用已经取得了重要的研究进展，车—轨—桥动力学耦合系统的随机振动问题正在成为新的热点[14]，但在此方面研究中，对系统非线性与随机性耦合影响的考虑还甚为薄弱。

在安全控制的研究中，将基于监测数据的可靠度评估与高速铁路结构全寿命时变可靠度有机结合，建立监控一体化体系，对高速铁路结构的长期变形、耐久性和剩余承载力进行预测与智能控制，并为结构性能修复和提升提供依据是一条值得研究且具有创新性的途径。多场耦合作用下基于时变可靠度的高速铁路结构性能演化与服役安全研究目前属于国际前沿。

[1] 魏召兰.高速铁路大型桥梁结构健康监测与状态评估研究[D].成都：西南交通大学,2012.

[2] Smith R. Railway fatigue failures: an overview of a long standing problem [J]. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik,2005(36):697-705.

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[14] 张 楠,夏 禾.铁路桥梁在高速列车作用下的动力响应分析[J].工程力学,2005(22):144-151.

Research damage analysis and safety management for high speed railway structures

Yang Huaizhi

(Beijing-ShanghaiExpressRailwayCo.,Ltd,Beijing100000,China)

The paper introduces the studies on the damage analysis and safety control at home and abroad, reflects their problems, has the prospect for the damage analysis and safety control of the express railway structure, and points out it is meaningful for enhancing the healthy development of the express railway by improving the durability and safety control of the express railway structure.

high speed railway, structures damage analysis, safety management

1009-6825(2016)10-0111-02

2016-01-22

杨怀志(1969- )，男，高级工程师

U216

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