車橋耦合振動2019年度研究進展

李小珍，辛莉峰，王銘，傅沛瑤，王黨雄，晉智斌，朱艷

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031；2.西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710072)

1 軌道不平順作用下的車橋耦合振動研究

1.1 精細化模型

圖1 輪軌滾動接觸模型[3]Fig1 Model of the rolling wheel-rail contact [3]

1.2 簡化模型及高效算法研究

1.3 相互作用的解析理論

1.4 系統反問題相關理論研究

1.5 面向橋梁運營管理的數字化分析系統

2 軌道不平順作用下的車橋耦合隨機振動研究

2.1 車橋耦合系統隨機振動理論和分析方法

2.2 列車橋梁耦合系統響應的不確定度

2.3 列車橋梁耦合系統敏感因子識別

圖2 豎向輪軌力一階時變敏感度分析[31]Fig2 First-order sensitivity against time for wheel-rail vertical force [31]

2.4 列車橋梁耦合系統動力可靠度

3 風車橋耦合振動研究

3.1 車橋系統風荷載

為提高針對大跨度橋梁非均勻脈動風場模擬的效率，李永樂等[35]提出了一種新穎的Cholesky分解法；王浩等[36]基于非負矩陣分解，對大跨度橋梁開展了非平穩風場的模擬研究；靖洪淼等[37]采用數值模擬方法分析了山區峽谷橋址處的風場特性，實現了高質量的山區風場數值模擬及解決了數值計算雷諾數與實際不符的難題；徐曼等[38]基于實測數據的風速譜采用諧波合成法模擬得到了滬通公鐵兩用長江大橋的三維脈動風速場。

針對高速列車駛經復雜環境時所出現的風荷載突變效應，何佳駿等[39]采用數值模擬方法分析了橋隧過渡段列車氣動特性的變化，研究發現車頭位置會呈現出更為明顯的氣動特性突變；李小珍等[40]采用橋上移動列車測試系統測試了橋塔遮蔽效應對列車氣動特性的影響，如圖3所示，研究表明車輛氣動參數在橋塔區域會呈現出明顯的突變現象。

圖3 橋塔遮蔽區移動列車氣動特性風洞試驗[40]Fig.3 Wind tunnel test of tower shielding on the aerodynamic characteristics of moving train [40]

大跨橋梁結構整體趨于細長、輕柔，其靜風力作用和脈動風作用下的響應更為突出。劉昊蘇等[41]采用風洞試驗與計算流體力學相結合的方法，對常用公鐵兩用斜拉橋雙層桁架主梁靜三分力系數進行研究，分析了雷諾數的影響，并提出了高風攻角下識別三分力系數最低雷諾數的建議值；Ma等[42]和Li等[43]針對典型流線型箱梁斷面進行了二維及三維氣動導納系數的風洞試驗研究(圖4)，并提出了氣動導納的識別方法。

3.2 擋風措施及機理研究

風屏障的正確布置及合理選型對改善橋上列車復雜行車風環境極為重要，風屏障的研究通常集中于選型、布置高度及透風率等方面。Xiang等[44]通過風洞試驗測試了不同高度風屏障的防風效果，同時橋上移動車輛測試裝置的采用可以更為真實地反映風屏障的防風性能；Ren等[45]和He等[46]則通過分析風屏障前后及列車周圍流場特性的發展來研究風屏障類型、透風率對風屏障的防風性能影響。

圖4 流線型斷面氣動導納風洞試驗[42]Fig.4 Wind tunnel test on aerodynamic admittances of streamlined box bridge decks [42]

3.3 車橋系統行車抗風安全性評估

3.4 風浪/流車橋耦合振動研究

4 地震車橋耦合振動研究

4.1 系統地震動激勵

4.2 地震車橋耦合振動精細化模型

4.3 車橋系統行車抗震安全性評估

圖5 地震車橋耦合系統[62]Fig.5 Earthquake-vehicle-bridge coupled systems[62]

4.4 地震車橋實驗室模型及試驗研究

圖6 車輛軌道系統振動臺試驗側面設計圖[67]Fig.6 The side design of the vehicle-track system vibration table test[67]

5 磁浮交通車輛軌道梁耦合振動研究

圖7 磁浮列車穩定懸浮Fig.7 Maglev train stable levitation

5.1 新型磁浮列車的研發方面

磁浮列車新型結構形式的探索，一直是實現磁浮交通更快速、更安全的一種途徑。無論是高速磁浮列車，還是中低速磁浮列車，學者們都曾試圖采用新型的車輛結構來降低磁浮車橋系統的耦合振動現象。

在2016年11月，中國中車宣布啟動時速600 km高速磁浮交通和時速200 km中速磁浮交通研發項目，在經過數年的技術攻關后，2019年5月23日，中國時速600 km高速磁浮試驗樣車在青島正式下線。同時，Zhang等[68]研究了一種適用于中低速磁浮列車上的空氣彈簧中置的新型磁浮列車懸浮架結構，研究表明，空氣彈簧中置的方案能更有效地降低懸浮架的振動，更好地進行懸浮架的機械解耦及穩定懸浮。以上的研究為后續中國高速磁浮列車的發展和中低速磁浮列車的進一步優化提供了基礎和借鑒。

5.2 主動懸浮控制系統完善與改進

主動懸浮控制系統是磁浮列車平穩懸浮的核心。懸浮控制系統由早期的簡化為彈簧阻尼力，到目前基于各種反饋策略的主動控制懸浮策略，可實時準確地調節磁浮列車的運行狀態。

5.3 磁浮交通車橋耦合振動

磁浮列車作用下，橋梁結構的變形會引起額定懸浮間隙的改變，從而向上引起磁浮列車的振動，向下導致橋梁結構的振動，嚴重影響了磁浮列車的安全平穩運行，降低磁浮車橋耦合振動現象的核心是厘清磁浮車橋耦合振動機理，從而選擇匹配的橋梁結構參數。

以各維度為單位分別進行信度分析的結果，“概括化評論”維度的Cronbach ɑ值數為.786；“低挫折忍耐”維度的Cronbach ɑ值數為.744；“絕對化要求”維度的Cronbach ɑ值數為.551,且各問項的項已刪除的Cronbach ɑ均小于.600，故該維度整體刪除；“糟糕至極”維度的Cronbach ɑ值數為.702。關于不合理信念的探索性因子分析結果顯示，不合理信念的問項共11項，共同性和因子載荷量數值均大于.400，輸出因子的總分散說明力達到65.169%，KMO數值.758，結果總體表現良好。

圖8 磁浮交通車輛軌道橋梁系統耦合振動模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of coupled vibration model of maglev train-track-bridge system

6 研究熱點與展望

中國鐵路、公路、軌道交通橋梁工程建設取得了巨大成就，但橋梁工程也將面臨嚴峻的新形勢，如中西部極端惡劣氣候條件下的橋梁建設；大跨度跨河、跨海橋梁的設計；大規模的既有橋梁將步入長時效安全管理與維護階段；自然災害條件下橋梁的運營預警等。因此，未來10～20年，橋梁車致振動研究將面臨創新、轉型、升級的重要戰略機遇期，研究應注重支撐性、前瞻性、系統性和交叉性，從頂層設計視角致力于全面解決這些建設及運維過程中的核心關鍵難題。以下幾個方面的研究是下一階段的研究熱點：