前言——记高速铁路基础结构服役安全研究专辑

正近年来,我国高速铁路的发展突飞猛进,取得了令世人瞩目的成就,为国民经济又好又快的发展做出了重要贡献.截至2013年底,我国新建高速铁路运营里程达到11152公里,高居世界第一位,中国高速铁路骨干网基本形成.我国高速铁路发展已经由大规模建造逐步进入长期安全运营管理与维护阶段,高速铁路研究与技术创新的主题也将由"设计与建造"转向"运营与维护".因此,如何科     

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.     

基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法

实现长期循环荷载作用下基床结构累积变形有效控制是建造高速铁路的技术难点之一.基于高速铁路无砟与有砟轨道路基承受列车动荷载特征,提出和完善了用于基床结构设计的荷载作用模式;根据循环荷载作用下土工填料累积变形演化状态的分类及阈值判别准则,结合室内单元结构填土模型试验,获得了级配碎石基床填料变形状态演化的阈值参数.以设计荷载条件和填料设计参数为基础,针对无砟与有砟轨道对基床变形状态控制的不同要求,采用结构分析原理,构建了基于累积变形演化状态控制的高速铁路基床结构设计计算方法,确定了无砟与有砟轨道基床结构累积变形分别满足快速稳定和缓慢稳定的状态控制要求,以地基系数K30值表征的关键参数指标.研究成果为实现高速铁路基床结构由构造设计向状态控制定值分析转变奠定了基础.     

论江河治理的地学基础——以长江中游为例

阐述了江河治理应充分遵从河流地学属性的观点, 从江河治理角度探讨了河流地学属性的定义与内涵. 从长江中游洪水蓄泄环境、洞庭盆地现代沉积特性、江汉盆地河湖地貌演变、中游河道分流特性及演变、荆江河道地质地貌特点等 5 个方面, 阐述了长江中游治理的地学基础. 基于长江中游的地学属性分析, 提出了对长江中游治理的几点认识: 结合退田还湖有计划地施行洞庭湖盆内“湖垸互换”; 利用荆江北岸古河道开辟中游分洪河道; 适度恢复江汉盆地对中游洪水的调蓄作用; 荆江河道的治理应置于长江中游地学环境的大背景下进行思考与规划.     

堆积体地层隧道围岩注浆效果水-力耦合分析

根据饱和非饱和渗流理论,结合公路隧道工程实例,通过渗透力与应力耦合的三维有限元模拟,分析了注浆层厚度、围岩与注浆层渗透系数比对堆积体地层隧道涌水量以及对围岩和支护结构的影响.分析结果表明:①注浆层厚度对涌水量影响较小,注浆层渗透系数对涌水量影响很大,控制注浆层渗透系数在1.0E-9 m/s以下可以有效地满足隧道施工和安全运营的需要;②水-力耦合效应使围岩应力、位移、塑性区范围及支护结构应力增大,注浆对其具有明显的改善作用.     

航空光电系统瞄准线惯性稳定技术研究

从航空光电系统瞄准线惯性稳定的内涵和应用需求入手,以典型惯性稳定平台控制系统为例,围绕伺服元件/电路噪声、结构特性和动态环境三个方面,归纳总结了影响惯性稳定性能的主要因素.着重分析了控制回路特性参数、控制器以及结构特性对瞄准线惯性稳定性能的影响,指导惯性稳定平台结构与控制系统设计.为满足航空光电系统远程探测的需求,克服内部光学元件相对位移或变形引起的瞄准线抖动,在惯性稳定平台基础上引入基于参考光的高精度瞄准线惯性稳定技术,并开展了相关分析与实验工作,最后对瞄准线惯性稳定技术的发展提出了几点建议.     

全金属支杆阵列多稳态被动转换及滞后阻尼特性

海洋结构趋向于更大型化,需以高刚度承担更大负荷,结构就不能很好地适应动态负载,动载低衰减传播将导致设备损坏和人员不适,但传统黏性阻尼减振结构的刚度较低,可能降低静态负载.为使减振结构同时具有高承载和高阻尼性能,本文基于稳定理论设计了多稳态被动转换支杆阵列,位移加载下压杆出现直杆-局部弯曲-整体弯曲3个稳定支撑状态,由此产生负刚度使激励-响应曲线形成滞后回环;进一步提出了线性弹簧-多稳态压杆并联结构,位移或力动态加载下该类结构都可发生多稳态转换,实现静态高刚度和动态高耗散,并以有限元模拟讨论了耗散特性的几何参数相关性.     

水垫塘反拱底板静动力耦合分析及安全评价

泄水建筑物水垫塘底板稳定是实现泄洪消能防冲的关键所在,反拱底板工作条件复杂,其受力和破坏过程表现为高度非线性、耦合性．针对工程实践中所关注的水垫塘反拱底板安全问题开展了系统的研究．揭示了反拱底板在复杂工作条件下的受力机理和失稳模式;研究了水垫塘内的水动力荷载特性;基于粘结滑移、非线性接触理论,提出一种适用于反拱底板结构体系的非线性耦合静动力分析方法,该方法可反映水动力荷载-底板-锚筋-基岩（拱座）的耦合作用和底板结构失稳的动态过程．该方法充分考虑了多种非线性因素及静动力耦合效应,全面揭示了水垫塘反拱底板的工作条件、受力机理、失稳动态过程、影响稳定性的关键因素．     

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.     

一种高速铁路无砟轨道混凝土结构疲劳损伤模型

基于连续损伤力学理论和边界面概念,建立了高速铁路无砟轨道混凝土结构在循环荷载作用下的疲劳损伤模型.模型在主坐标系中采用了拉压两个边界面,根据加载面与极限断裂面、边界面之间的位置关系来计算高速铁路无砟轨道混凝土结构在复杂应力状态下的损伤,并由累积损伤与应变能释放率之间的关系确定循环加载中极限断裂面的变化规律.通过将该理论模型嵌入有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT,与同类模型进行比较验证了模型的可行性.最后对高速铁路双块式无砟轨道支承层进行了循环动荷载作用下的疲劳累积损伤分析.结果表明该模型不仅能够较好地反映支承层在循环荷载作用下疲劳损伤非线性演变规律,还可以展现其疲劳损伤分布形态的全过程,为研究高速铁路无砟轨道混凝土结构的疲劳损伤与寿命预测,提供了可行的理论分析方法.     

基于变形时间效应的高速铁路地基压缩层厚度计算方法

路堤荷载作用下地基变形是高速铁路路基沉降的主要来源,地基有时间效应的变形是引起高速铁路长期服役性能劣化的核心因素,掌握具有变形时间效应的地基土层区域是合理计算地基工后沉降、优化地基加固方案的技术关键.基于分形的无标度特性,确立塑性变形速率随时间的分形关系,揭示了地基土变形随荷载水平呈现快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏的四种演化状态类别,提出了表征变形速率变化快慢的土体变形状态"分维数判别法";开展了单元结构填土模型和三轴流变试验,获得了中低压缩性粉质黏土的变形状态荷载阈值及其与抗剪强度或极限承载力的比值;基于摩尔-库伦准则,采用强度折减方法,获得了地基土变形状态强度参数,结合地基土中应力,得到了由库伦强度理论表达的变形状态控制方程,明确了地基沿深度具有时间效应变形区域的深度即为基于变形时间效应的地基压缩层厚度.提出的"时间效应法"确定压缩层厚度为进一步完善高速铁路的地基沉降计算提供了理论依据和实验支撑.     

我国高铁社会效益指标体系研究

通过对中国北车等企业的实地调研,以及对国家发改委、铁道部、高校各专家的访谈,本文总结出高铁在带动相关产业发展、时间效益、节能环保、舒适性、安全性、满足多层次出行需求、提高应急运送能力、公众自豪感8个方面的社会效益,并且按照科学性、可比性、可操作性的原则,细化了高铁8个社会效益1级指标相应的2级衡量指标,构建了我国高铁社会效益评估的指标体系。     

基于改良SPA算法的高速铁路桥梁疏散能力评价

根据高速铁路桥梁应急疏散的特点，建立了其疏散能力评价指标体系。对传统集对分析法进行了改良，提出了一种基于渐变理论的纂对联系度算法，并将其用于疏散能力评估。将高速铁路桥梁疏散过程划分成了三个部分——高铁线上行走过程、疏散通道穿行过程和避难场所等待过程。据此建立了高铁桥梁疏散能力评估的指标体系。然后将疏散能力划分成五个等级，拟定了各等级的分级论域。最后，以某高速铁路桥梁为例，评估了其疏散能力。结果表明：基于改良集对算法的高速铁路桥梁疏散能力评价模型具有较高的可靠性和实用性。     

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.     

铁路货物空车调配研究综述

从理论上对铁路空车调配问题进行研究并构建数学模型，以此求解最优的空车调配方案，对提高铁路货物运输服务质量和铁路企业运营效益等具有重要的意义。文章是对铁路货物空车调配研究的综述，归纳并分析铁路空车调配的研究历程及国内外对此问题研究的现状，在分析存在问题的基础上提出了研究方向。     

梯级水电站群长期发电优化调度多核并行随机动态规划方法

随机动态规划求解水电站群长期发电优化调度易产生"维数灾"问题,导致计算耗时急剧增加,求解效率降低.如何缓解维数灾和提高计算效率,一直是水库优化调度致力于研究的难点问题.在随机动态规划的并行性分析基础上,提出了基于Fork/Join并行框架的多核并行随机动态规划方法.该方法将单个时段内所有变量组合状态下的计算任务作为父任务,通过分治法递归分解为多个子任务,并平均分配到不同的内核同时计算实现细粒度并行求解.以澜沧江下游梯级水电站群为研究实例,建立了3个变量离散数不同的调度方案,并在多核环境下验证该方法的计算效率.结果表明,在2和4核环境下,该方法的计算耗时与串行方法相比,分别节省了约50%和70%,大幅度缩减计算耗时,可充分利用多核资源;同时,计算任务的规模越大,并行计算的耗时缩减幅度越大.因此,此方法为大规模水电系统优化调度提供了一种可行途径,其并行原理可为其他应用所借鉴.     

能源互联网关键技术分析

能源互联网是解决未来可再生能源大规模有效利用的重要基础设施,围绕着这一新型电力网络的设计、实现、运行和管理中所面临的新问题,提出了实现能源互联网的六大关键技术:先进储能技术、固态变压器技术、智能能量管理技术、智能故障管理技术、可靠安全通信技术和系统规划分析技术,并对各项关键技术所涉及的科学问题进行了分析与探讨.     

Predictive models for influence of primary delays using high-speed train operation records

Primary delays are the driving force behind delay propagation, and predicting the number of affected trains (NAT) and the total time of affected trains (TTAT) due to primary delay (PD) can provide reliable decision support for real-time train dispatching. In this paper, based on real operation data from 2015 to 2016 at several stations along the Wuhan–Guangzhou high-speed railway, NAT and TTAT influencing factors were determined after analyzing the PD propagation mechanism. The eXtreme Gradient BOOSTing (XGBOOST) algorithm was used to establish a NAT predictive model, and several machine learning methods were compared. The importance of different delayinfluencing factors was investigated. Then, the TTAT predictive model (using support vector regression (SVR) algorithms) was established based on the NAT predictive model. Results indicated that the XGBOOST algorithm performed well with the NAT predictive model, and SVR was the optimal model for TTAT prediction under the verification index (i.e., the ratio of the difference between the actual and predicted value was less than 1/2/3/4/5 min). Real operational data in 2018 were used to test the applicability of the NAT and TTAT models over time, and findings suggest that these models exhibit sound applicability over time based on XGBOOST and SVR, respectively.