In recent years, China's high-speed railway (HSR) line continues to expand into seismically active regions. Analyzing the features of earthquake rail irregularity is crucial in this situation. This study first established and experimentally validated a finite element (FE) model of bridge-track. The FE model was then combined with earthquake record database to generate the earthquake rail irregularity library. The sample library was used to construct a model of desired earthquake rail irregularity based on signal processing (SFT) and hypothesis principle. Finally, the effects of random pier height and random span number on desired irregularity were analyzed. Herein, an equivalent method of calculating earthquake rail irregularities for random structures was proposed. The results of this study show that the amplitude of desired irregularity is found to increase with increasing pier height. When calculating the desired irregularity of a structure with unequal pier heights, the structure can be regarded as that with equal pier heights (taking the largest pier height). For a structure with the span number large than 9, its desired irregularity can be considered equal to that of a 9-span structure. For the structures with both random pier heights and random span number, their desired irregularities are obtained by equivalent calculations for pier height and span number, respectively.
Rail support failure is inevitably subjected to track geometric deformations. Due to the randomness and evolvements of track irregularities, it is naturally a hard work to grasp the trajectories of dynamic responses of railway systems. This work studies the influence of rail fastener failure on dynamic behaviours of wheel/rail interactions and the railway tracks by jointly considering the effects of track random irregularities. The failure of rail fastener is simulated by setting the stiffness and damping of rail fasteners to be zeroes in the compiled vehicle-track coupled model. While track random irregularities will be transformed from the PSD functions using a developed probabilistic method. The novelty of this work lays on providing a method to completely reveal the possible responses of railway systems under jointly excitation of track random irregularities and rail support failure. The numerical results show that rail fastener failure has a great influence on both the wheel/rail interactions and the track vibrations if the number of rail fastener failure is over three. Besides, the full views of time-dependent amplitudes and probabilities of dynamic indices can be clearly presented against different failing status.
After the mainshock, whether the train can be allowed to pass the bridges plays an important role in ensuring the transport of supplies and rescue works for example, in the "12 May" earthquake in China, after evaluation, the bridge was still used for transportation in rescue at a very slow speed, engineers usually evaluate whether the train can pass the bridge safely based on the experience, lacks sufficient calculation basis and does not fully consider the risk caused by aftershocks. To address this issue, this paper comprehensively considers the randomness of track irregularity, the randomness of aftershock intensity and other multiple random sources in train-bridge interaction system (TBIS). The sensitivity of train to various random parameters after earthquake is analyzed from the perspective of probability, the most sensitive random variable in this paper is PGA of aftershocks, both for bridge and trailer car, With the increase of epicentral distance, the sensitivity of PGA will decrease, and correspondingly, for trailer car, the sensitivity of other random variables will increase, research in this paper provides a basis for the subsequent random analysis of post-earthquake driving safety.
본 연구에서는 고속철도의 자갈궤도와 콘크리트궤도에서 열차 주행 안전 측면에서 관리해야 할 레일패드 강성의 상한값을 차량 및 궤도의 동특성과 운영환경을 고려하여 결정하는 방법을 제시하였다. 차량-궤도의 상호작용해석의 중요 입력 파라메타인 궤도틀림과 관련하여 프랑스 및 독일에서 제시한 고저틀림 PSD(파워 스펙트럼 밀도)와 경부고속철도 1단계 구간 자갈궤도 및 콘크리트궤도에서 계측한 고저틀림 자료를 통하여 얻은 PSD를 기초로 하여 넓은 범위의 주파수 영역에서 적용할 수 있는 자갈궤도와 콘크리트궤도의 고저틀림 PSD를 제시하였다. 제시된 PSD 기준 모델을 사용하여 시간 영역에서의 고저틀림 입력을 난수 생성(random number generation)을 통하여 구한 후 차량-궤도 상호작용 해석기법을 사용하여 레일패드 강성에 따른 윤중 감소율을 산정하였다. 산정된 윤중 감소율에 대하여 국내 철도차량 안전기준에 관한 규칙의 탈선계수 규정을 적용하여 주행 안전 측면에서 허용할 수 있는 레일패드 강성의 상한값을 제시하였다.
This study aimed to investigate the random vibration characteristic of train-slab track-bridge interaction system subjected to both track irregularities and earthquakes by use of pseudo-excitation method (PEM). Each vehicle subsystem was modeled by multibody dynamics. A three-dimensional rail-slab- girder-pier finite element model was created to simulate slab track and bridge subsystem. The equations of motion for the entire system were established based on the constraint condition of no jump between wheel and rail. The random load vectors of equations of motion were formulated by transforming track irregularities and seismic accelerations into a series of deterministic pseudo-excitations according to their respective power spectral density (PSD) functions by means of PEM. The time-dependent PSDs of random vibration responses of the system were obtained by step-by-step integration method, and the corresponding extreme values were estimated based on the first-passage failure criterion. As a case study, an ICE3 high-speed train passing a fifteen-span simply supported girder bridge simultaneously excited by track irregularities and earthquakes is presented. The evaluated extreme values and the PSD characteristic of the random vibration responses of bridge and train are analyzed, and the influences of train speed and track irregularities (without earthquakes) on the random vibration characteristic of bridge and train are discussed.
In order to reveal the independent relationship between track irregularity and wind loads, the stochastic characteristics of train-bridge coupling systems subjected to wind loads were investigated by the multi-sample calculation. The vehicle was selected as 23 degrees of freedom dynamical model, and the bridge was described by three-dimensional finite element model. It was assumed that the wind loads were random processes with strong spatial correlation, while the track irregularities were stationary random ones. As a case study, a high-speed train running on a cable-stayed bridge subjected to wind loads was studied. The effect of rail irregularities was deemed to be independent of the effect of wind excitations on the coupling system in the same wind circumstance for the same project, leading to the conclusion that the effect of wind loads and moving vehicle could be calculated separately. The variance results of the stochastic responses of vehicle-bridge coupling system under the action of wind loads and rail irregularities together were equivalent to the sum of the variance of the responses induced by each excitation. Therefore, when one of the input excitations is different, only the effect of changed loads needs to be assessed. Moreover, the new calculated results were combined with the effect of unchanged loads to present the stochastic response of coupling system subjected to the different excitations, reducing the cost of computations. The stochastic characteristics, the CFD (cumulative distribution function) of the coupling system with different wind velocities, vehicle speed, and vehicle marshalling were studied likewise.
The Pseudo-Excitation Method (PEM) is applied to study the stochastic space vibration responses of train-bridge coupling system. Each vehicle is modeled as a four-wheel mass-spring-damper system with two layers of suspension system possessing 15 degrees-of- freedom. The bridge is modeled as a spatial beam element, and the track irregularity is assumed to be a uniform random process. The motion equations of the vehicle system are established based on the d'Alembertian principle, and the motion equations of the bridge system are established based on the Hamilton variational principle. Separate iteration is applied in the solution of equations. Comparisons with the Monte Carlo simulations show the effectiveness and satisfactory accuracy of the proposed method. The PSD of the 3-span simply-supported girder bridge responses, vehicle responses and wheel/rail forces are obtained. Based on the $3{\sigma}$ rule for Gaussian stochastic processes, the maximum responses of the coupling system are suggested.
고속철 교량의 동적응답을 보다 정밀하게 해석하기 위한 동적해석방법을 개발하였다. 차후 증가될 초고속(450km/h)을 포함하여 고속 주행하는 KTX 동력차에 의한 교량의 동적거동을 면밀한 속도변수분석과 정밀한 해석을 위한 고속철, 교량 그리고 궤도구조물의 상호작용을 포함한 수치모델을 구성하였다. 네 가지 40~25미터 단순지간의 PSC 박스교를 3차원 유한 프레임요소 모델로 개발하였다. 스펙트럼밀도함수로 산출된 궤도불규칙값과 궤도간 상이한 거리차이를 수치모델화 하였다. 고속철차량은 (KTX) 38자유도로 구성하였다. 38자유도 모델은 3방향 변위와 상응하는 회전각을 고려하였다. 동적증폭계수는 다양한 불규칙 궤도, 켐버, 주행속도, 자갈도상과 같은 주행조건에 의해 결정된다. 이와 같은 동적증폭계수를 해석하기위한 Newmark-${\beta}$ 기법과 Runge-Kutta기법을 적용하여 고속철 속도별과 경간별로 면밀하게 비교 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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