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學術發展

新世紀高速鐵路之振動及安全性

楊永斌(工學院院長)

 

    十八世紀中葉的工業革命,啟動了機械文明的列車;十九世紀初期,鐵路運輸拓展了人類的生活空間;二十世紀中葉以後,高速鐵路的出現,進一步縮短了城市與城市間的距離;進入新世紀之後,具有快速運輸能力的高速鐵路,預計將成為各國大眾運輸的主流。國內高鐵的運行速度最高為350 km/hr,世界各地高鐵的最高實驗速度則早已突破500 km/hr,達飛機航速之半,而由此所衍生之振動與安全問題,已經成為當前結構工程界最重要的課題之一。1998年6月初德國高鐵肇事,死亡百餘人,輕重傷三百餘人;今年3月間,東京地下鐵亦曾因列車出軌,而造成人員之傷亡,均應引以為殷鑑。

 

     高鐵所產生的振動問題,主要有二:第一是橋樑的振動,由於高鐵列車的速度高、質量大,因此列車、軌道和橋樑之間的能量會互相傳遞,這就是所謂的互制作用,傳統的鐵路因為速度較低,基本上是不須考慮此一效應的;根據吾人之研究,列車和橋樑間能量之傳遞,特別是列車輪軸所引致之振波是否「相消」或「共振」,主要係由列車和橋樑的相對長度所決定,利用此一特性可得出一避免共振之「車-橋最佳設計準則」[1],此一準則經法國資深鐵路工程師來函,證實具有高度之可靠性。據個人所知,文獻上過去並未曾出現類似之準則。

 

    因為高鐵列車速度快,搖晃過大即會出軌,因此必須檢核列車的振動度及舒適度,為此吾人建立了一系列高性能的「車橋互制元素」,可以同時求解橋樑和列車的反應,亦可探討軌道之平整度、傾斜度等,對於高速列車出軌可能性的影響[2,3]。

 

    去年的九二一地震造成台灣中部的重創,國人記憶猶新,因此大眾最關心的一個問題是:「高速列車如果遇到地震會不會翻車?」此一問題因為包含列車和地震兩個振動源,分析難度相當高,因此在文獻上還未曾看到類似的研究。有鑑於此一問題攸關民眾搭乘高鐵之安全,具有重要之本土性,乃與研究生致力於開發一多功能之橋樑振動分析程式,俾能同時處理地震與列車兩個振動源;亦因此,吾人得以領先各國學者,首次建立了高速列車在地震下出軌可能性之分析能力,可計算出在不同震度下,列車所容許之最高速限[4](見圖一),此一結果可作為高鐵安全作業程序(SOP)之重要參考。

 

    高鐵的第二個問題是土壤振動,由於高鐵列車速度高、動能大,當它經過市區或科學園區附近時,其振波將經由軌道、道渣、基礎和土壤,而傳播到鄰近之商家、住戶與廠房,為之帶來振動與噪音的干擾,影響其正常作業,因此高鐵的重要課題之一,就是如何阻絕這些振波的傳遞;有關土壤之振動阻絕分析,其最大的困難是土壤消能特性的模擬,這是傳統結構動力分析所沒有的。另方面,現有的邊界元素法雖可解決某些特定的問題,但對於廠房、基礎、土層、與阻絕設施等不規則結構之模擬,則仍束手無策。

 

    針對上述土壤振動問題,吾人曾推導出一「有限/無限元素混合法」,其要旨為以靈活之有限元素模擬近域之不規則結構,而以無限元素模擬土壤之輻射阻尼,此一作法經證實精度高、速度快,可有效處理精密廠房之隔振問題(見圖二),為結構工程師提供了一分析之利器[5-7]。

 

    有關車橋互制動力問題之研究,吾人於十年之前即已開始,迄今已培養出碩士13人、博士4人,研究成果亦持續在國內外重要期刊發表,近年來更經常為國外學者所引用,其中不乏具有領先與創新意義者。此外,為配合國內鐵路建設之需要,曾與前研究生姚忠達博士,合力撰寫《高速鐵路車-橋互制理論》一書,已於今年年初問世。

 

參考文獻

        1. Yang, Y. B., Yau, J. D., and Hsu, L. C., “Vibration of simple beams due to trains moving at high speeds,” Engrg. Struct., 19(11), 1997, 936-944.

        2. Yang, Y. B., and Yau, J. D., “Vehicle-bridge interaction element for dynamic analysis,” J. Struct. Engrg., ASCE, 123(11), 1997, 1512-1518. (Errata: 124(4), p. 479)

        3. Yang, Y. B., Chang, C. H., and Yau, J. D., “An element for analysing vehicle-bridge systems considering vehicle’s pitching effect,” Int. J. Numer. Meth. Engrg., 46, 1999, 1031-1047.

        4. Wu, Y. S., “Dynamic interactions of train-rail-bridge system under normal and seismic conditions,” Ph.D. Thesis, Dept. Civil Engrg., Nat. Taiwan Univ., July, 2000.

        5. Yang, Y. B., Kuo, S. R., and Hung, H. H., “Frequency-independent infinite elements for analyzing semi-infinite problems,”Int. J. Numer. Meth. Engrg., 39, 1996, 3553-3569.

        6. Yang, Y. B., and Hung, H. H., “Parametric study of wave barriers for reduction of train-induced vibrations,”Int. J. Numer. Meth. Engrg., 40, 1997, 3729-3747.

        7.Hung, H. H., “Ground vibration induced by high-speed trains and vibration isolation countermeasures,” Ph.D. Thesis, Dept. Civil Engrg., Nat. Taiwan Univ., July, 2000.

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