在不同齿条-轨枕连接方式下，桥载齿条铁路系统在地震荷载作用下的动态特性研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Dynamic characteristics of bridge-mounted rack railway systems with different rack-sleeper connections under seismic loads

　　摘要：中国西南部山区的轨道交通系统经常穿过地震断层带，这对结构稳定性构成了重大挑战。本研究通过结合齿轮齿条啮合、轮轨接触和地震激励，开发了一种用于齿条铁路的列车-轨道-桥梁动态交互模型。在地震载荷、车辆载荷及其共同作用的情况下，评估了轨道-桥梁系统在纵向（X方向）、纵向（Y方向）和横向（Z方向）的动态响应。结果表明，地震载荷主要在横向产生了最大的响应幅度，而车辆载荷主要影响纵向和纵向响应。在耦合载荷下，刚性连接产生的最大纵向位移和加速度分别为3.84毫米和5.21米/秒2。这些值在弹性连接下降低到2.68毫米和3.40米/秒2，分别减少了30.21%和34.74%。频谱分析显示，弹性连接减弱了高频振动，并将X方向的峰值频率从24.3赫兹降低到18.7赫兹。这些发现阐明了弹性齿条枕木连接的减振效果，并为桥梁安装的齿条铁路系统的抗震设计提供了理论支持。

引言：齿条铁路已成为中国西南部山区轨道交通的重要选择，因为它们可以适应陡峭的坡度[1]。然而，该地区地质条件复杂，地震活动频繁[2]，特别是在龙门山区和仙人河断层等断层带[图1]。在这种条件下，包括齿条、轨道、枕木和桥梁在内的轨道-桥梁系统容易受到地震引起的动态响应的影响。地震激励可以在简支的桥轨系统中产生复杂的振动，并通过位移、加速度和频率响应特性影响轨道稳定性和车辆运行安全[3]。齿条和枕木之间的刚性螺栓连接是齿条铁路的一个显著特点，但这也可能引入多种地震危险[4,5]。通过桥墩和支座传递的强烈振动可能会在连接处集中应力，增加螺栓松动或失效的风险[6,7]。刚性齿条连接还可能加剧高频载荷的传递，并在轨道和桥梁中引起共振，从而加速疲劳损伤，导致轨道变形、磨损或断裂[8]。过度的振动位移可能导致轨道错位或脱轨，威胁齿条车辆的操作和乘客安全[9,10]。

在分析传统轨道-桥梁系统的地震响应方面取得了实质性进展。以往的研究已经建立了涵盖模型构建、动态响应分析、失效机制和可靠性评估的框架。列车-轨道-桥梁耦合模型已被用于评估在地震载荷下的脱轨风险和系统稳定性[11]。还提出了简化的弱耦合桥-车辆模型，以提高动态响应预测的计算效率[12]。已经建立了实验和数值框架来解决轨道-桥梁系统中的非线性响应和复杂动态耦合问题[13]。在地震和边界约束下，结构节点的局部非线性也被确定为脆弱性的关键来源[14]。除了边界效应，最近的研究表明，V形干谷地形在坚硬基岩上会改变铁路桥系统的地震响应，而深水峡谷的几何形状通过水-结构相互作用影响桥墩的流体动力荷载[15,16]。失效机制的研究进一步使用了模态分解、振动路径跟踪和实验验证来确定轨道-桥梁系统中的损伤模式和传播路径。例如，高频地震效应与桥节点处的应力集中有关[17]。因此，已经开发了包含损伤累积和动态失效序列的可靠性模型，以支持桥梁设计优化[18]。其他研究将响应谱分析与概率框架相结合，以评估地震频率内容对系统稳定性的影响[19]，并使用改进的模型来检查轨道-桥梁系统对地震激励的适应性[20]。最近的研究也开始阐明齿条铁路的多尺度动态。一种将齿轮齿条啮合与鞋轨界面耦合的车辆-轨道-电流模型表明，速度依赖的齿轮冲击和第三轨接头中的间隙会放大收集器-鞋轨振动并导致脱轨事件[21]。对于地基结构相互作用，一个三维非线性枕木-道砟模型表明，桥墩沉降会降低垂直阻尼，并加速斜坡上的轨道恶化[22]。一项垂直-纵向牵引动力学研究报道，在齿条转向架中牵引杆力增加，第三轮对在陡坡上承受最高的垂直载荷[23]。对曲线轨道的研究发现，曲线半径的减小使横向振动增加了32%，轮轨力增加了40%，齿轮偏移达到1.3毫米[24]。在大坡度上的全尺寸测试确认，齿轮齿条冲击是齿条齿弯曲忋力的主要来源，尽管在名义牵引条件下应力仍在允许范围内[25]。从地震角度来看，一种列车-轨道-桥梁交互模型表明，与刚性连接相比，弹性桥梁连接可以在地震期间减少齿条系统（包括齿条、紧固件和螺栓）中的应力集中[4]。虽然之前的研究主要关注齿条系统的机械性能和安全性，但当前的工作将分析扩展到不同连接方法和载荷条件下的系统级动态特性和机制，包括齿轮齿条啮合动力学和在耦合地震和车辆载荷下的频域响应。总体而言，现有研究已经推进了在地震载荷下传统轨道-桥梁系统的动态响应、非线性耦合和可靠性的建模。然而，大多数工作集中在轮轨相互作用上，并未包括齿轮齿条啮合动力学。许多研究也分别处理地震和车辆载荷，因此无法捕捉不同齿条-枕木连接模式下的耦合效应。对于活跃地震区的山区轨道交通来说，这种差距非常重要，因为在同一动态系统中同时存在陡峭的坡度、桥梁结构和齿条连接。

为了填补这一差距，本研究基于列车-轨道-桥梁动态交互理论[26]，开发了一种在地震载荷下用于齿条车辆、齿条、轨道和桥梁的动态交互模型。该模型用于研究轨道-桥梁系统在地震载荷、车辆载荷和耦合载荷下的动态响应，并比较刚性和弹性齿条-枕木连接的效果。本研究有三个主要贡献：首先，它建立了一个三维车辆-轨道-桥梁动态模型，结合了齿轮齿条啮合、轮轨接触、地震激励和齿条-枕木连接行为；其次，它量化了在不同载荷和连接条件下的齿条、轨道、枕木和桥梁的 direction-dependent 动态响应和振动传递特性；第三，它评估了弹性齿条-枕木连接作为减少齿条响应幅度和减弱桥梁安装齿条铁路中高频振动传递的振动控制措施。

**节选内容：**
**地震载荷下齿条铁路中车辆-轨道-桥梁系统的动态交互模型**
本研究基于列车-轨道-桥梁动态交互理论[26]，将齿轮齿条啮合和轮轨接触动力学整合到地震载荷下的齿条铁路车辆-轨道-桥梁模型中（图2）。分析重点在于齿轮齿条啮合模型、轮轨接触模型以及地震激励下轨道和桥梁之间的动态交互。详细的车辆、轨道和桥梁子模型在参考文献[27]中提供。

**地震载荷**
在桥墩基础上施加地震载荷，以模拟轨道-桥梁系统的多方向地震激励，并评估其对桥梁和轨道组件的影响。选择1940年El Centro地震波作为输入记录，其中包含纵向、纵向和横向的加速度分量。选择该记录是因为它是一个广泛用于地震响应分析的经典强震记录，便于与其他相关记录进行比较。

**典型动态载荷下轨道-桥梁系统的动态响应**
轨道-桥梁系统在外部激励下的动态响应对系统安全和稳定性至关重要。本节评估了在两种代表性动态作用（地震载荷和车辆载荷）下的响应特性，以明确主导响应方向、组件特定行为和载荷传递特性。

**耦合载荷下轨道-桥梁系统的动态响应**
本节评估了在耦合地震和车辆载荷下的轨道-桥梁系统的动态响应，重点考虑了齿条-枕木连接方法的影响（图14）。刚性齿条连接可能会放大振动传递，而弹性连接可以通过柔性约束减少响应幅度。除了峰值响应比较外，分析还考虑了振动放大、能量传递路径和频率演变，为……提供了依据。

**结论**
本研究阐明了在地震载荷、车辆载荷及其共同作用下齿条铁路轨道-桥梁系统的动态响应模式，重点考虑了齿条-枕木连接方法的影响。主要发现和工程意义如下：
(1) 在地震载荷下，系统在Z方向显示出最明显的响应。这表明横向地震激励是控制桥梁安装齿条铁路响应的主要因素。

**作者贡献声明**
王朗：撰写——原始草案、软件、方法论、调查、正式分析、概念化；
陈昭伟：监督、资源、方法论；
陈江深：软件、正式分析；
陈志辉：验证、资源；
杜慧波：可视化、正式分析、数据管理；
冯若强：撰写——审阅与编辑、资金获取。

**资助**
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号51978151和52578509）、深圳市科技创新计划（项目编号JCYJ20230807114611022）、中央政府指导的地方科技创新发展基金（项目编号2026ZY03012）、长江三角洲科技创新共同体联合研究计划（项目编号2025CSJGG04100）以及东南大学博士生创新能力提升计划（项目编号……）的支持。

**利益冲突声明**
我们声明与可能不当影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，并且我们对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他个人利益，这些利益可能会影响本文所述的内容或手稿的审阅。

**致谢**
作者感谢匿名审稿人的建设性评论和建议，这些评论和建议有助于提高本文的质量。