高速铁路钢轨焊接区不平顺的动力效应及其安全限值研究

应用车辆–轨道耦合动力学理论及其仿真分析软件TTISIM,研究了钢轨焊接区低塌不平顺对轮轨动力响应的影响特征,分析了高速行车条件下典型焊接区低塌不平顺波长和幅值对轮轨动力响应的影响规律,在此基础上,提出了高速铁路钢轨焊接区不平顺幅值的安全限值.分析结果表明:钢轨焊接区不平顺会导致明显的轮轨冲击效应,且该冲击作用由短波不平顺所控制;高速行车条件下,轮轨动力响应随着焊接区不平顺波长的增大而减小,随行车速度和不平顺幅值的增大而增大,其中,轮重减载率指标受不平顺波长和幅值的影响更为显著,为钢轨焊接区不平顺作用下行车安全性的首要控制指标;高速行车条件下,钢轨焊接区不平顺幅值的安全限值随行车速度的增大而减小,随不平顺波长的增大而增大,叠合形不平顺幅值的安全限值受短波不平顺(波长小于0.2 m)波长和幅值的影响较大;在200~250 km/h行车速度等级,1 m直尺测量矢度条件下,余弦形低塌不平顺幅值的安全限值为0.82 mm,叠合形低塌不平顺在1 m长波幅值为其作业验收限值0.3 mm时,其短波不平顺幅值的最大安全限值为0.2 mm,叠合形不平顺幅值总的安全限值最大为0.5 mm;在250~350 km/h行车速度等级,1 m直尺测量矢度条件下,余弦形低塌不平顺幅值的安全限值为0.62 mm,叠合形低塌不平顺在1 m长波幅值为其作业验收限值0.2 mm时,其短波不平顺幅值的最大安全限值为0.14 mm,钢轨焊接区叠合形低塌不平顺幅值总的安全限值最大为0.34 mm.研究结果可为高速铁路钢轨顶面焊接区不平顺的养护维修管理提供理论参考.     

地面城市轨道交通环境振动源的反演

地面城轨列车运行引起周边场地环境振动．针对振动源难以直接量测的困境，本文借助工程地震学的反演方法研究轮一轨不平顺的动力激励源．将地表振动的列车．轨道一三维场地耦合动力分析与遗传算法结合，通过待反演量解空间的设置、反演问题目标函数的建立、反问题求解的遗传策略设计等步骤构建了轮一轨不平顺振源函数和轨道结构参数的联合反演方案．依据实际观测数据反演了北京城轨13号线的激励功率谱，结果显示：振源函数在1．2m以上的波长范围反映了轨道不平顺性，在1．2m以下的波长范围表达了车轮的几何与弹性不圆顺．本文强调指出，城轨车速较低，这个短波长段恰恰对应环境振动的主要频带．以轨道谱表达轨道交通环境振动源，1．2m以下短波长的不平顺会被低估，严重影响环境振动主要频率成分的估计．相对轨道谱只反映轨道的平顺状况，轮．轨谱既反映轨道不平顺因素，又包含车轮不圆顺状况，更适合作为城轨交通的振源函数．同时也表明，用地表振动实测数据反演振动源，是定量揭示轮．轨组合不平顺的有效途径．     

高速铁路无砟轨道不平顺谱

研究提出了我国高速铁路无砟轨道不平顺谱的计算方法、轨道不平顺谱拟合公式及轨道不平顺谱图.为提高轨道不平顺谱的计算精度,研究提出了基于线性插值和小波分析方法的轨道不平顺检测数据异常值和趋势向剔除算法.同时通过不同窗函数长度、不同窗函数和不同谱估计方法的轨道不平顺谱计算对比分析,确定了轨道不平顺谱的计算方法.利用高速综合检测列车检测数据计算确定了高速铁路无砟轨道不平顺谱及其拟合公式,并引入倍频能量表反映高速铁路无砟轨道周期结构的影响.由轨道不平顺谱拟合公式与倍频能量表共同构成的高速铁路无砟轨道不平顺谱,为高速铁路设计、评估和养护维修等提供了依据.     

高速铁路无砟轨道疲劳检算轮载的动力学分析

应用列车-线路耦合动力学理论及仿真软件,分析了高速运营线路轮轨系统动力学响应并与实测结果进行了验证.在此基础上,采用我国典型高速车辆及无砟轨道结构,系统分析了高速铁路无砟轨道不平顺谱对轮轨动作用力大小及统计特性的影响规律.结果表明,列车-线路耦合动力学方法可以比较准确地模拟高速行车条件下轮轨动力相互作用,取百分位数75的无砟轨道谱作为激励输入可用于评估轮轨系统动力相互作用及高速行车安全性和舒适性,高速铁路无砟轨道结构的疲劳检算取为静轮重的1.5倍是合理的.     

桥梁健康监测海量数据分析与评估——“结构健康监测”研究进展

详细介绍了国家杰出青年科学基金项目＂结构健康监测＂（项目号：50725828）研究进展.该项目针对桥梁环境荷载和静动力响应等海量监测数据的处理分析与评估迫切需求,并紧密结合大跨斜拉桥和悬索桥的结构特点,系统地研究了大跨斜拉、悬索桥梁服役环境作用监测与效应模拟技术、动力性能监控与异常预警技术以及关键构件状态评估与运营维护技术.主要包括：①基于温度、日常风和台风监测数据提出了大跨桥梁服役环境作用模型与模型参数确定方法,并结合大跨桥梁多尺度基准有限元模拟方法研究了桥梁服役荷载效应模拟技术;②基于振动监测数据建立了大跨桥梁整体动力特性参数以及斜拉桥拉索索力、悬索桥主缆和吊杆内力的在线识别方法,形成了＂环境条件归一化＂的桥梁运营状态监控与异常预警技术;③基于应变、梁端位移等监测数据开展了服役环境下钢箱梁焊接细节疲劳荷载效应、主梁伸缩缝的温度和车载效应分析方法研究,形成了桥梁关键构件服役性能监控和寿命评估技术.     

列车通过大跨度桥梁桥塔区域过程中的风-车-桥耦合动力分析

大跨度桥梁位于强横风环境时,桥塔的遮挡作用会使列车进出桥塔区域时车体受到的风力发生变化,这种风荷载的突变效应会对车辆的动力响应造成影响,此外车辆动力响应的改变还会影响桥梁的动力响应.本文以瓯江大跨公铁两用悬索桥为工程背景,以快速谱分析模拟风场,对桥梁子系统施加抖振风力,对桥梁子系统施加稳态风力,考虑桥塔宽度与车辆长度的关系,建立风-车-桥耦合系统运动平衡方程,以全过程迭代法求解该方程,分析计算了不同车速与风速下桥塔遮风效应对车辆桥梁动力响应的影响.结果表明风速和桥塔宽度越大,车辆的动力响应越大,而桥梁动力响应受桥塔遮风效应影响很小.     

高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的基础科学问题

中国高速铁路已经由大规模建造进入长期安全稳定运营阶段,如何科学维护庞大规模的高速铁路运营线路,使高速铁路长期保持高安全、高稳定、高可靠的运营品质,是我国现阶段面临的重大课题.在分析总结中国高速铁路基础结构构造特点及其复杂运营环境特点的基础上,提出了高速铁路基础结构动态性能演变及服役安全的三个基础科学问题:环境与动载耦合重复作用下高速铁路基础结构关键工程材料与结构动态性能演变,高速铁路基础结构累积变形与轨面几何形态的映射关系,基础结构劣化与高速列车-基础结构耦合系统动态性能的相互影响及演化机制;回顾评述了国内外在此方面的研究现状与最新进展;指出了本领域今后的发展趋势以及需要重点关注和加强的基础研究工作.     

高铁综合交通枢纽车站结构振动传播的测试分析

为深入研究高铁型综合交通枢纽车站在各类高铁列车低速进出站引起的振动传播特性与枢纽结构特性的关系,对南昌西站候车层进行大型现场实测.在候车大厅布设四类测点,从时域及频域方面研究高铁列车低速进出站引起的振动在候车层垂轨向和顺轨向的传递特性,同时研究梁柱、伸缩缝等不同结构位置对振动传播特性的影响.实测研究结果表明:振动传播受枢纽车站结构形式影响很大,梁柱结构的约束作用对高于40 Hz的高频振动传播抑制明显,大跨结构板跨中点振动响应最大;伸缩缝边缘出现振动响应显著增大现象,需要考虑此类三边支撑悬臂板板边位置的减振;综合交通枢纽车站的建桥分离结构,可以极大地阻隔40 Hz以上的高频振动,但低频振动仍可由结构-大地-结构传递,且衰减量很小;综合交通枢纽车站内综合竖向振动响应均大于水平向,占主导地位,但从分频频段来看,在低于5 Hz的低频段,水平振动大于竖向振动,同时水平振动传播衰减,受结构梁柱约束作用影响不明显.     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅱ):纵连板式无砟轨道系统

分析了桥上铺设纵连板式轨道条件下钢轨随桥墩沉降产生变形的机理,并与单元板式轨道条件下的钢轨变形机理进行了对比,在此基础上,推导了纵连板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间映射关系的解析表达式,计算了钢轨随桥墩沉降的变形曲线,与此同时采用有限元方法从桥梁结构受力与变形的角度分析了桥墩沉降引起的钢轨变形曲线,并与解析计算结果进行了对比,最后对纵连板式轨道和单元板式轨道条件下钢轨随桥墩沉降的变形曲线进行了对比分析.研究结果表明解析模型和有限元模型均可用于求解纵连板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;相比于单元板式轨道,纵连板式轨道条件下的钢轨变形更缓和,列车高速通过其沉降区域时产生的激振频率也更低.     

高速铁路桥墩沉降与钢轨变形的映射关系(Ⅰ):单元板式无砟轨道系统

在分析钢轨随桥墩沉降变形机制的基础上,从理论上推导了桥上铺设单元板式无砟轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形间的映射关系,给出了钢轨随桥墩沉降发生变形的解析表达式,与相应有限元模型的计算结果进行了对比,并分析了不同沉降量条件下的钢轨变形区域长度.研究结果显示解析模型和有限元模型得出的钢轨变形曲线十分吻合,表明两种模型均可用于求解单元板式轨道条件下桥墩沉降和钢轨变形的映射关系;常用跨度桥梁结构的桥墩沉降会对高速行驶的列车产生低频激励,该激振频率与车体的垂向自振频率相近,将对车体振动产生较大影响.     

边坡动力响应规律研究

通过大量动力数值分析对边坡动力响应规律进行研究, 发现了边坡动力响应的位移、速度、加速度三量放大系数等值线在边坡剖面上分布的节律性特点. 对于一定的岩土体材料, 当边坡高度在一定范围内时, 边坡动力响应的位移、速度、加速度三量在鉛直方向会出现放大作用, 而当边坡高度超过这个范围时, 边坡动力响应的三量分布会出现鉛直方向的节律性特点. 边坡边缘部位对振动的反应幅值较之内部存在放大现象, 随着水平深度的进一步增加, 位移、速度、加速度三量在水平方向也出现节律性的变化. 边坡坡度的变化对位移、速度、加速度放大系数等值线图的分布形式有明显影响, 坡度决定了三量分布的等值线方向和极值区的走向. 边坡的动力响应图像可以用两个指标刻画, 一个是等值线的走向, 一个是平行坡面方向的极值个数.     

桥梁结构固有频率不确定性量化的高斯过程模型方法

桥梁结构参数的不确定性必然导致其固有频率具有不确定性,量化固有频率的不确定性可为与动力特性相关的桥梁结构分析与设计工作提供更为准确的动力特性信息.均值和方差是刻画固有频率不确定性的两个非常重要的统计特性,本文旨在探讨一种可用于快速有效计算桥梁结构固有频率的均值和方差的方法.桥梁结构通常具有结构形式复杂,尺寸大等特点,传统的蒙特卡洛方法因计算花费高而使用受限.本文采用高斯过程模型取代复杂的桥梁结构有限元模型来表征不确定参数与固有频率的关系,快速有效地计算固有频率的均值和方差.该方法适用于参数服从任意概率分布的情形,其可靠性通过具有解析均值和方差的函数得到验证.最后,本文的高斯过程模型方法用来计算安庆铁路长江大桥固有频率的统计特性.     

水平横风下的移动车辆脉动风速谱

为研究水平横风下运动车辆在不同车速/风速比情况下感受到的风速谱,利用泰勒"冻结"紊流假定,推导了移动点的自相关系数函数,通过傅里叶变换数值求解了移动点的自功率谱函数.利用已有的脉动风速谱形式,通过积分变换,直接导出了风速与车速垂直的移动点的自功率谱函数解析表达式.研究表明:由于车辆运动,导致移动点纵向脉动风速谱向高频移动,且随车速的增大,幅值呈现先减小后又逐渐增大的现象;同时,车辆运动引起移动点侧向脉动风速谱幅值随车速增大呈现先减小,后逐渐增大的变化规律.     

基于双线性构造算法的电力有源滤波器补偿电流实时计算新方法

以“当负载电流为周期电流时, 负载电流与负载基波有功电流差的绝对值在一个周期内的积分值最小”为检测原理, 提出了基于直接计算, 基于简单迭代算法和基于最优迭代算法的电力有源滤波器谐波电流实时检测方法. 直接计算法能够准确计算负载电流处于稳定状态时的基波有功电流幅值. 简单迭代算法和最优迭代算法提供了一种判别负载电流状态的思想. 在直接计算法、简单迭代算法、最优迭代算法和对负载电流处于变化状态时的基波有功电流真实幅值等基本概念进行了明确定义的基础上提出了双线性构造思想, 即通过一次线性构造计算了此采样时刻的负载基波有功电流幅值, 通过二次线性构造为下一个采样的处理创造了条件. 在双线性构造思想的基础上, 提出了一种能够计算负载基波有功电流幅值的基于双线性构造算法的电力有源滤波器谐波电流实时检测方法.     

Rayleigh波斜入射下层状场地中凸起地形的三维响应分析

采用间接边界元法研究了层状场地中凸起地形对斜入射Rayleigh波的三维响应问题.该间接边界元方法结合层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林函数基本解,克服了传统边界元法中的奇异性问题,刚度矩阵运算的引入则避免了对土层交界面和自由地表的离散,使得该方法具有很高计算精度的同时对复杂边界有着很好的适应性.通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中凸起地形为例,分别在频域和时域内进行了计算分析,研究了Rayleigh波的斜入射角度、入射频率、凸起的截面形状、凸起的高度、特别是Rayleigh波的频散和多模态特性对地面动力响应的影响.研究表明层状场地中由于Rayleigh波存在频散和多模态特性,使得凸起表面的动力放大效应与均匀场地情况存在明显的差别,层状场地高阶模态(二阶以上模态)凸起水平位移幅值放大谱与第一阶模态存在很大差异,呈现窄频放大,峰值频率处凸起顶部附近位移幅值非常大,且峰值频率与对应有效阻尼比峰值频率一致.     

黄土沟壑区产输沙特征的空间尺度效应研究

以黄土丘陵沟壑区的典型流域岔巴沟为例, 首先通过实测数据分析水沙过程的尺度现象和规律, 明确了流域产输沙的主要子过程及其影响因素和作用机理. 然后采用集成了坡面侵蚀、沟坡区重力侵蚀和沟道不平衡输沙3个子模型的黄河数字流域模型在较高分辨率的单元上模拟研究流域的暴雨—径流—产输沙响应, 结果重现了水沙过程的尺度现象. 在尺度现象是由不同产输沙子过程的空间尺度分布迭加引起的假定下, 对模拟结果进行分析, 发现重力侵蚀和高含沙水流特性是引起黄土沟壑区泥沙过程尺度现象的最主要因素.     

交叉敏感情况下多传感器系统的动态特性研究

讨论了具有交叉敏感的传感器组成的多传感器系统的动态特性及其对系统检测精度的影响. 提出了将该多传感器系统看作一个线性滤波器与一个无记忆非线性函数的串联系统, 即Wiener系统, 把后续的信息融合系统看作一个无记忆非线性函数与一个线性滤波器的串连, 即Hammerstein系统. 在静态标定的基础上, 用盲解卷积技术求得Hammerstein的线性滤波器系数矩阵. 针对盲解卷积技术复现信号幅值不确定性的缺点, 提出了一种根据逆滤波器系数矩阵与静态标定的线性矩阵的同一性校正滤波器系数矩阵的方法, 以获得多传感器系统的近似逆向动态模型, 提高了多传感器系统在实际检测过程中的检测精度, 降低了动态检测结果失真度, 满足了实际情况的需要. 最后的仿真结果表明, 输入信号频率接近采样频率1/10时, 用盲解卷积技术获得的幅值复现误差是未经过动态补偿的幅值复现误差的1/20, 是各传感器单独动态补偿后幅值复现误差的1/2, 快速性提高了2倍. 金属氧化物半导体甲烷传感器的动态补偿结果表明, 在温度阶跃响应下, 补偿后的甲烷检测误差小于补偿前的1/2, 因此这种方法拓宽了多传感器系统的带宽.     

基于POD-Observer技术的非定常气动力建模方法

基于本征正交分解（POD）结合观测器（Observer）技术,发展了一种新的适合于气动弹性分析的非定常气动力降阶方法.通过全阶系统行为的样本采用POD方法导出一组流体模态.将POD训练的全阶响应投影到流体模态上,得到模态幅值的响应时间历程.经由deadbeat观测器处理,这些训练数据用于识别模态幅值动态系统的Markov参数.采用特征实现算法基于上述的Markov参数构建系统的状态空间模型.算例选取了亚声速流场中的二维翼型系统.结果表明降阶模型复现了全阶系统的主要动态特性,极大缩减了原系统的自由度数量并且显著提高了计算效率.     

利用引力辅助的行星际周期轨道间转移研究

三体动力学系统动平衡点附近存在的周期轨道在空间探测任务中有着重要的应用价值.本文研究了流形不相交三体系统周期轨道间的转移问题,提出了一种结合流形和引力辅助技术的转移轨道设计方法.首先通过定义近拱点庞加莱映射搜索周期轨道不变流形的近拱点,然后给出了任意初始状态达到一定双曲超速所需速度增量的计算方法,从而得到了最佳逃逸流形和捕获流形的选择依据,并结合等高线图法与近拱点庞加莱映射分析了周期轨道利用该方式进行逃逸或捕获的性质.在此基础上,基于受摄三体模型建立了流形逃逸点到捕获点转移轨道的优化模型,通过微分修正策略将优化模型化简为仅有两个参数的无约束优化问题,并采用单纯形算法进行了求解.以地球-火星和地球-金星转移为例对所提方法的有效性进行了验证,数值结果表明:结合流形和引力辅助技术可有效降低周期轨道间转移的能量消耗.     

单斜无颠簸或震动高速重载无缝钢轨焊接结构的静态力学解析

当今高速、重载无缝焊接铁路的轨枕、路基及焊接工艺和焊接材料都有了很大的改进,但是焊接面与钢轨的方位关系,仍基本沿用的是185年前铁路在英国首次出现时的方位结构,即焊接面垂直于钢轨轴向.因此,钢轨焊缝承受的是垂向纯剪应力、横向纯剪应力和轴向纯拉应力.纯剪应力和纯拉应力均属危险应力,在高速、重载的长期运行条件下会造成断裂隐患.而且在车轮通过焊缝时难以从根本上避免列车的垂向颠簸或横向震动.为此,本文提出与钢轨横向成α角或与钢轨垂向成β角的单斜焊接面,从几何方位结构和受力状态进行解析,由此可基本消除车轮的垂向颠簸或横向震动,并能显著增加焊接面的承载能力、减少焊接面轴向纯拉和横向纯剪的能力.