高速铁路桥梁落石冲击分析的等效脉冲荷载确定性响应带认证

《Engineering Structures》：Deterministic response-band certification of equivalent pulse loads for rockfall impact analysis of high-speed railway bridges

　　

桥梁响应定义了选取冲击脉冲之前的频段。闭式标度将幅值不匹配与波形不匹配分离开来。标度将参考频段验收从420条历史中的283条提升至412条。加入更短周期限制了之前选定脉冲的直接复用。

引言

落石冲击威胁着山区地形中高速铁路桥梁的安全。墩柱变形可通过支座、主梁和轨道传播，影响使用性能和线形对齐。近期研究将落石运动轨迹和入射状态与桥梁损伤和易损性联系起来[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。因此，重复的响应分析需要一种合适的冲击荷载表示方法。

仅凭峰值力是不够的。墩柱响应取决于损伤局部化、残余轴向阻力和截面形式[8]、[9]，以及腐蚀、尺度和接触力学[10]、[11]、[12]。相似的力最大值可能伴随不同的冲量、持续时间和二次接触，激发不同的结构周期。

防护措施还会改变荷载历程。缓冲垫降低了峰值但延长了接触时间[13]、[14]，柔性屏障随时间调动网、缆和支撑结构[15]、[16]。基于视觉的重构、反分析和解析模型改善了冲击荷载的获取[17]、[18]、[19]。多次接触研究也证明了荷载演化的重要性[20]、[21]。这些进展提出了一个实际问题：在何种条件下，获取到的历程可以被简化用于指定的接收模型？

基于响应的验收测试必须指定需求量、周期、阻尼和允许的不匹配度。时域的紧密拟合仍然可能歪曲敏感周期附近的需求，而某些局部力振荡可能对该响应影响甚微。

等效脉冲加载有着丰富的历史。Abrahamson和Lindberg[22]通过峰值和冲量表征了临界荷载。Li和Meng[23]区分了脉冲式、动力式和准静态式三种 regimes，表明在中间regime中脉冲形状至关重要。他们的弹塑性分析[24]表明，等峰值和等冲量不一定定义唯一的损伤边界。近期的冲击研究也表明，规定的半正弦波可能会低估测量的严重性[25]。这些发现促使在相关周期和阻尼比范围内，将候选脉冲与单条记录进行测试。

冲击响应谱比较了各周期上的峰值振荡器需求，可以定义瞬态损伤边界[26]。在此，桥梁响应域在脉冲评估之前确定，因为冲击条件和防护措施可能改变接收响应[27]。

需要一个准则来判断已知的不规则落石—墩柱记录是否可以被简化。峰值—冲量匹配并不能建立脉冲是否满足所需响应限值。本研究将响应定义的频段与有限振荡器网格上的必要且充分的幅值可行性条件相结合，得出完整的可容许幅值区间和剩余幅值储备。

解析标度分离了谱比的总体水平与其形状依赖的跨度。选取具有更大幅值储备的可行脉冲族；如果两个族都不满足限值，则保留原始正值历程。420案例研究考察了响应频段变化时脉冲的选取和复用，两项桥梁对比评估了复现非线性位移响应所需的时间细节。

小节摘要

研究框架与工作流

图1展示了420次模拟如何支持荷载简化：墩顶响应历程定义了评估频段，接触力历程用于构建和评估候选脉冲。桥梁—轨道模型提供结构响应，局部冲击公式解析接触力[28]、[29]。

确定响应频段后，原始正值力和两个候选脉冲在同一振荡器网格上进行评估。解析标度给出每个族的…

响应导出的频段

评估域在脉冲评估之前使用受冲击墩顶固定全局x方向的位移、速度和加速度来定义。"横向"因此指代全局x，不随冲击角度旋转。相比之下，标量接触力沿预定的入射轴投影。每条直接节点响应被插值到其记录区间上的等长均匀网格，线性去趋势并用Hann窗乘以。A…

幅值标度与方法贡献

图6展示了案例S240，其正值峰值、冲量和等效持续时间分别为53.409 MN、0.772 MN·s和14.447 ms。单位幅值半正弦比为1.191至1.210；三角比为1.128至1.178。两个候选在标度之前都违反了上限响应。

对于S240，表4给出q*_H = 0.847402和q*_T = 0.882357，可行区间分别为[0.755630, 0.950320]和[0.797792, 0.975887]。两个标度后的脉冲都满足所有60个参考频段单元；两个区间…

桥梁评估的荷载选取

荷载选取从控制性桥梁响应、相关的周期—阻尼网格和所需精度开始。解析准则然后确定可行脉冲及其可容许幅值区间。

在固定空间荷载模式下，每个解耦的线性模态方程具有式(4)的形式。因此，谱准则控制了评估中包含的周期和阻尼比下的单个模态峰值。以下桥梁对比评估了组合的…

结论

本研究开发了一种基于响应的方法，用于选取具有规定精度的简化落石冲击荷载。对420条桥梁冲击历程和两次非线性桥梁对比的分析支持以下结论。

(1) 在脉冲选取之前定义的响应频段为评估替代波形提供了共同的结构基础。在该频段内，闭式标度确定了完整的可容许幅值区间和剩余幅值储备。一个空的区间…

CRediT作者贡献声明

Jun Chen：撰写—初稿、方法论、概念化。Biao Wei：撰写—审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号52278547）、湖南开放大学（批准号XDK-2025-A-05）、成都奥嘉工程新技术发展有限公司（大丽攀铁路桥梁抗震分析）、中铁二院工程集团（批准号KSNQ213008）以及中国铁路集团科技创新计划（批准号2022-major-17）的支持。计算支持…

Jun Chen | Biao Wei