車橋耦合振動(dòng)2019年度研究進(jìn)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(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072)

1 軌道不平順作用下的車橋耦合振動(dòng)研究

1.1 精細(xì)化模型

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

1.2 簡(jiǎn)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(tǒng)反問題相關(guān)理論研究

1.5 面向橋梁運(yùn)營管理的數(shù)字化分析系統(tǒng)

2 軌道不平順作用下的車橋耦合隨機(jī)振動(dòng)研究

2.1 車橋耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)理論和分析方法

2.2 列車橋梁耦合系統(tǒng)響應(yīng)的不確定度

2.3 列車橋梁耦合系統(tǒng)敏感因子識(shí)別

圖2 豎向輪軌力一階時(shí)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(tǒng)動(dòng)力可靠度

3 風(fēng)車橋耦合振動(dòng)研究

3.1 車橋系統(tǒng)風(fēng)荷載

為提高針對(duì)大跨度橋梁非均勻脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)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(fù)矩陣分解，對(duì)大跨度橋梁開展了非平穩(wěn)風(fēng)場(chǎng)的模擬研究；靖洪淼等[37]采用數(shù)值模擬方法分析了山區(qū)峽谷橋址處的風(fēng)場(chǎng)特性，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的山區(qū)風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬及解決了數(shù)值計(jì)算雷諾數(shù)與實(shí)際不符的難題；徐曼等[38]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)速譜采用諧波合成法模擬得到了滬通公鐵兩用長(zhǎng)江大橋的三維脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)。

針對(duì)高速列車駛經(jīng)復(fù)雜環(huán)境時(shí)所出現(xiàn)的風(fēng)荷載突變效應(yīng)，何佳駿等[39]采用數(shù)值模擬方法分析了橋隧過渡段列車氣動(dòng)特性的變化，研究發(fā)現(xiàn)車頭位置會(huì)呈現(xiàn)出更為明顯的氣動(dòng)特性突變；李小珍等[40]采用橋上移動(dòng)列車測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了橋塔遮蔽效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響，如圖3所示，研究表明車輛氣動(dòng)參數(shù)在橋塔區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)出明顯的突變現(xiàn)象。

圖3 橋塔遮蔽區(qū)移動(dòng)列車氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)[40]Fig.3 Wind tunnel test of tower shielding on the aerodynamic characteristics of moving train [40]

大跨橋梁結(jié)構(gòu)整體趨于細(xì)長(zhǎng)、輕柔，其靜風(fēng)力作用和脈動(dòng)風(fēng)作用下的響應(yīng)更為突出。劉昊蘇等[41]采用風(fēng)洞試驗(yàn)與計(jì)算流體力學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)常用公鐵兩用斜拉橋雙層桁架主梁靜三分力系數(shù)進(jìn)行研究，分析了雷諾數(shù)的影響，并提出了高風(fēng)攻角下識(shí)別三分力系數(shù)最低雷諾數(shù)的建議值；Ma等[42]和Li等[43]針對(duì)典型流線型箱梁斷面進(jìn)行了二維及三維氣動(dòng)導(dǎo)納系數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究(圖4)，并提出了氣動(dòng)導(dǎo)納的識(shí)別方法。

3.2 擋風(fēng)措施及機(jī)理研究

風(fēng)屏障的正確布置及合理選型對(duì)改善橋上列車復(fù)雜行車風(fēng)環(huán)境極為重要，風(fēng)屏障的研究通常集中于選型、布置高度及透風(fēng)率等方面。Xiang等[44]通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了不同高度風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，同時(shí)橋上移動(dòng)車輛測(cè)試裝置的采用可以更為真實(shí)地反映風(fēng)屏障的防風(fēng)性能；Ren等[45]和He等[46]則通過分析風(fēng)屏障前后及列車周圍流場(chǎng)特性的發(fā)展來研究風(fēng)屏障類型、透風(fēng)率對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)性能影響。

圖4 流線型斷面氣動(dòng)導(dǎo)納風(fēng)洞試驗(yàn)[42]Fig.4 Wind tunnel test on aerodynamic admittances of streamlined box bridge decks [42]

3.3 車橋系統(tǒng)行車抗風(fēng)安全性評(píng)估

3.4 風(fēng)浪/流車橋耦合振動(dòng)研究

4 地震車橋耦合振動(dòng)研究

4.1 系統(tǒng)地震動(dòng)激勵(lì)

4.2 地震車橋耦合振動(dòng)精細(xì)化模型

4.3 車橋系統(tǒng)行車抗震安全性評(píng)估

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

4.4 地震車橋?qū)嶒?yàn)室模型及試驗(yàn)研究

圖6 車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)側(cè)面設(shè)計(jì)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(dòng)研究

圖7 磁浮列車穩(wěn)定懸浮Fig.7 Maglev train stable levitation

5.1 新型磁浮列車的研發(fā)方面

磁浮列車新型結(jié)構(gòu)形式的探索，一直是實(shí)現(xiàn)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(xué)者們都曾試圖采用新型的車輛結(jié)構(gòu)來降低磁浮車橋系統(tǒng)的耦合振動(dòng)現(xiàn)象。

在2016年11月，中國中車宣布啟動(dòng)時(shí)速600 km高速磁浮交通和時(shí)速200 km中速磁浮交通研發(fā)項(xiàng)目，在經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)攻關(guān)后，2019年5月23日，中國時(shí)速600 km高速磁浮試驗(yàn)樣車在青島正式下線。同時(shí)，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(jié)構(gòu)，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(dòng)，更好地進(jìn)行懸浮架的機(jī)械解耦及穩(wěn)定懸浮。以上的研究為后續(xù)中國高速磁浮列車的發(fā)展和中低速磁浮列車的進(jìn)一步優(yōu)化提供了基礎(chǔ)和借鑒。

5.2 主動(dòng)懸浮控制系統(tǒng)完善與改進(jìn)

主動(dòng)懸浮控制系統(tǒng)是磁浮列車平穩(wěn)懸浮的核心。懸浮控制系統(tǒng)由早期的簡(jiǎn)化為彈簧阻尼力，到目前基于各種反饋策略的主動(dòng)控制懸浮策略，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)磁浮列車的運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 磁浮交通車橋耦合振動(dòng)

磁浮列車作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的變形會(huì)引起額定懸浮間隙的改變，從而向上引起磁浮列車的振動(dòng)，向下導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，嚴(yán)重影響了磁浮列車的安全平穩(wěn)運(yùn)行，降低磁浮車橋耦合振動(dòng)現(xiàn)象的核心是厘清磁浮車橋耦合振動(dòng)機(jī)理，從而選擇匹配的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)。

以各維度為單位分別進(jìn)行信度分析的結(jié)果，“概括化評(píng)論”維度的Cronbach ɑ值數(shù)為.786；“低挫折忍耐”維度的Cronbach ɑ值數(shù)為.744；“絕對(duì)化要求”維度的Cronbach ɑ值數(shù)為.551,且各問項(xiàng)的項(xiàng)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(shù)為.702。關(guān)于不合理信念的探索性因子分析結(jié)果顯示，不合理信念的問項(xiàng)共11項(xiàng)，共同性和因子載荷量數(shù)值均大于.400，輸出因子的總分散說明力達(dá)到65.169%，KMO數(shù)值.758，結(jié)果總體表現(xiàn)良好。

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

6 研究熱點(diǎn)與展望

中國鐵路、公路、軌道交通橋梁工程建設(shè)取得了巨大成就，但橋梁工程也將面臨嚴(yán)峻的新形勢(shì)，如中西部極端惡劣氣候條件下的橋梁建設(shè)；大跨度跨河、跨海橋梁的設(shè)計(jì)；大規(guī)模的既有橋梁將步入長(zhǎng)時(shí)效安全管理與維護(hù)階段；自然災(zāi)害條件下橋梁的運(yùn)營預(yù)警等。因此，未來10～20年，橋梁車致振動(dòng)研究將面臨創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型、升級(jí)的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，研究應(yīng)注重支撐性、前瞻性、系統(tǒng)性和交叉性，從頂層設(shè)計(jì)視角致力于全面解決這些建設(shè)及運(yùn)維過程中的核心關(guān)鍵難題。以下幾個(gè)方面的研究是下一階段的研究熱點(diǎn)：