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.
In this study, proposed is the methodology to determine the upper limit for stiffness of rail pad for the ballasted and concrete track in high-speed railway in the viewpoint of running safety, considering the dynamic characteristics of train and track and the operation environment. For the track irregularity, one of the most important input parameters for traintrack interaction analysis, the reference vertical track irregularity PSDs(power spectral densities) for the ballasted and concrete track in a wide range of frequencies were proposed based on those presented in France and Germany and that obtained from the measured data at Kyeong-Bu 1st phase high-speed railway line. Using these reference PSD models, the input data for the vertical track irregularity data were regenerated by random generation process, and then, the wheel load reduction rates according to the stiffness of the rail pads have been calculated by the train-track interaction analysis technique. Finally, by comparing the wheel load reduction rates calculated with the derailment criteria prescribed in the Korean standards for railway vehicle safety criteria, the upper limits for the stiffness of rail pad have been proposed.
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.
Oh, Soon Taek;Lee, Dong Jun;Shim, Young Woo;Yun, Jun Kwan
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.4
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pp.204-211
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2011
A dynamic analysis procedure is developed to provide a better estimation of the dynamic responses of bridge during the passage of high speed railway vehicles. Particularly, a three dimensional numerical model including the structural interaction between high speed vehicles, bridges and railway endures to analyse accurately and evaluate with in-depth parametric studies for dynamic responses of various bridge span lengths running KTX railway locomotive up to increasing maximum speed(450km/h). Three dimensional frame element is used to model the simply supported pre-stressed concrete (PSC) box bridges for four span lengths(40~25m). Track irregularity employed as a stationary random process from the given spectral density functions and irregularities of both sides of the track are assumed to have high correlation. The high-speed railway vehicle (KTX) is used as 38-degree of freedom system. Three displacements (Vertical, lateral, and longitudinal) as well as three rotational components (Pitching, rolling, and yawing) are considered in the 38-degree of freedom model. The dynamic amplification factors are evaluated by the developed procedure under various traveling conditions, such as track irregularity camber, train speed and ballast. The dynamic analysis such as Newmark-${\beta}$ and Runge-Kutta methods which are able to analyse considering the dynamic impact factors are compared and contrasted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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