标准累积绝对速度CAVSTD 在高铁地震预警中的可行性分析

崔恩文

（连云港职业技术学院 建筑工程学院，江苏 连云港222006）

1 标准累积绝对速度CAVSTD 简介

美国电力研究所（EPRI）最早提出累积绝对速度CAV 的概念，并用于作为核电厂预警参数[1]。为了提高核电预警的准确性，随后引入标准累积绝对速度CAVSTD的概念，规定为用时间间隔为1 秒将加速度时程进行N 等分，找出N 等分中加速度超过0.025g 的等分并对其进行积分，之后对整个时程进行累加求和，具体表达式如（1）所示：

2 标准累积绝对速度CAVSTD 在高铁地震预警中的应用

鉴于标准累积绝对速度CAVSTD在核电预警中的优越性，黄俊等依托汶川地震数据，分析CAVSTD在高铁预警中的可行性，研究发现CAVSTD参数在高铁地震监测预警中可以有效的排除破坏性小的高频小震，但对破坏性小的远震大震可能会产生误报现象，为此必须联合峰值加速度PGA 进行报警，这样可以有效的排除近震小震及远震大震对高铁地震报警的干扰[2]，但此时仅仅是基于起算阈值为0.025g 的累积绝对速度CAVSTD，为此有必要探讨基于相关起算阈值的累积绝对速度CAV 在高铁地震预警中的应用。

3 高铁地震预警参数CAV 起算阈值初探

3.1 模型介绍[3-6]

以SY97477 高速列车为例，该列车主要由一个车体、两个转向架及四个轮对组成的多自由度系统，各部分均由一二系弹簧和阻尼衔接，具体结构可见图1。

图1 列车模型

列车模型不同组成部分的几何尺寸、质量、转动惯量、刚度及阻尼等，其具体物理意义可参考文献[4-6]。

为简化模型并考虑计算精度的要求，假设结构体系各部分均为刚体并作小幅度振动，各衔接系统均为线性，列车匀速运行。以车体重心为坐标原点建立相互独立的空间坐标系，分别用X、Y、Z 坐标轴来确定列车模型的空间位置，其中列车沿X 轴方向运行，具体如图2 所示。

图2 车体在空间的坐标位置

基于上述假设列车的自由度数如表1 所示，表2 显示车体和转向架分别有5 个独立的自由度，轮对有4 个独立的自由度，故此列车模型系统共有31 个自由度。

表1 列车自由度数确定[4-6]

3.2 方程建立及求解方法

基于以上数据将模型各部分运动表达式列为矩阵，如式（2）所示。

式中，{U''}、{U'}、{U}分别为车辆沿不同自由度的广义加速度矢量、广义速度矢量和广义位移矢量；{p}为广义荷载矢量，本文主要包含轮轨力和地震力，其中轮轨力可依据Hertz 非线性接触理论、Kalker 线性理论及Hedrick-Elkinss 理论进行求解[4-6]，该方程可运用Newmark-β 法求解列车动态响应[4-6]。

3.3 CAV 起算阈值确定

通过Matlab 软件对上述列车模型进行编程，引入德国轨道不平顺与简谐波(只考虑Y 方向输入) 分别作为内部与外部激励，依据铁道部给出评判列车安全运行指标，考虑动力放大系数2.55[3-6]，计算给出不同车速下简谐波临界幅值与频率的变化关系，如图3 所示，其中评判列车安全运行指标如表2 所示，德国轨道不平顺见参考文献[4]。

表2 列车安全运行评判指标[4]

图3 不同车速对应的影响列车安全运行临界状态下的简谐波临界幅值与周期的变化关系

从图3 可知，当车速不变时，幅值小于0.025g 的中低频简谐波也可能导致列车发生脱轨事故，若不考虑低于0.025g 的简谐波对列车安全运行的影响，此时基于起算阈值为0.025g 的标准累积绝对速度CAVSTD在高铁地震预警应用中过于保守，为此需要考虑基于相关起算阈值的累积绝对速度CAV 作为高铁地震预警参数。从图3 可以发现，简谐波临界幅值随着周期变长逐渐减小并趋于定值，从而可以忽略幅值低于该定值的任何简谐波对列车运行安全的影响，此时不同车速下对应的定值即为CAV 的起算阈值，如表3 所示。

表3 不同车速下CAV 的起算阈值

由表3 知，车速200Km/h 时，CAV 的起算阈值为0.008g；车速在250km/h 及以上时，CAV 的起算阈值相同，均为0.004g。

4 结论

通过分析车辆在轨道不平顺及简谐波共同作用下的动态响应，依据相关规范给出影响列车安全运行临界状态下简谐波幅值与周期的关系，发现不同车速下简谐波幅值随着周期变长逐渐递减最终趋于定值，可以忽略幅值低于该定值的简谐波对列车安全运行的影响，从而得出不同车速下CAV 的起算阈值，由此可知基于起算阈值0.025g 的标准累积绝对速度CAVSTD作为高铁地震预警参数过于保守，应当考虑不同车速下基于相关起算阈值的累积绝对速度CAV 作为高铁地震预警参数。