兰州理工大学博士学位论文

题目：脱轨列车撞击站房结构的非线性响应及连续倒塌研究

姓名：朱翔
指导教师：杜永峰、陆新征
2015年

摘要：我国高速铁路建设在最近几年内取得了快速发展。为与之配套，在中心城市新建了很多的大型铁路站房结构。但是，对于大型铁路站房结构而言，由于列车轨道横穿建筑内部，轨道与结构构件的横向距离很近，一旦发生列车脱轨事故，不仅会造成大量的人员伤亡及铁路运营瘫痪，更有可能引起大型铁路站房结构的连续倒塌。然而，现阶段国内外对于列车脱轨问题研究的重点放在如何防止和监测列车脱轨，对于脱轨后列车的运行姿态以及脱轨列车撞击站房结构的相关研究很少。因此，本文主要围绕脱轨列车撞击站房结构安全性分析展开，对列车脱轨后运行姿态、站房柱的抗冲击性能、大型铁路站房结构抗连续倒塌性能和脱轨列车正面撞击站房结构破坏机理等几个方面进行了研究和分析。具体工作如下：
（1）根据相关资料，分析可能的脱轨原因。建立列车轮对、列车车体、轨道和地面的精细化非线性有限元模型，对列车脱轨后运行姿态进行了模拟，分析了关键影响因素，并重点讨论了脱轨列车在不同的列车与地面间摩擦系数下的运行轨迹。基于分析结果，结合欧洲规范EN1991-1-7的规定，建议了铁路两侧可能受到脱轨列车撞击的建筑物距离和撞击速度。
（2）对30根不同类型的站房结构柱进行了抗冲击试验研究，试验结果表明外包钢管加固RC柱可显著提高RC柱的抗冲击性能。对于新型截面复合柱而言，实心夹层钢管混凝土柱的抗冲击性能最好，中空夹层钢管混凝土柱抗冲击性能略差，双插H型钢钢管混凝土柱抗冲击性能最差。但这三种截面形式的复合柱抗冲击性能都强于RC柱，而且在有限的截面尺寸范围内，相同壁厚的新型复合柱要比纯钢管混凝土柱的抗冲击性能强。
（3）基于抗冲击试验结果，采用三种通用非线性有限元软件MSC.Marc、ABAQUS和Ansys/LS-DYNA对撞击试验进行了模拟，对比了有限元模拟的计算结果，对不同类型柱子建议了最为合适的分析软件。
（4）针对典型大型铁路客站结构，应用非线性动力拆除构件法对其进行抗连续倒塌性能分析，结果发现轨道旁角部区域的三根站房柱发生破坏后，站房结构会发生连续倒塌，其倒塌模式为竖向连续倒塌。
（5）脱轨列车以100km/h正面撞击典型铁路站房结构将造成轨道旁三根站房柱发生破坏，导致整体结构发生连续倒塌，这与拆除构件法拆除轨道旁三根站房后导致站房结构连续倒塌结论一致。可通过设计新型钢管混凝土复合柱、安装耗能防撞站房柱和站房柱前放置钢管混凝土小短柱来进行防护等。

关键词：列车脱轨；撞击；有限元模拟；撞击试验研究；安全防护