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(chē)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(wèn)題相關(guān)理論研究

1.5 面向橋梁運(yùn)營(yíng)管理的數(shù)字化分析系統(tǒng)

2 軌道不平順作用下的車(chē)橋耦合隨機(jī)振動(dòng)研究

2.1 車(chē)橋耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)理論和分析方法

2.2 列車(chē)橋梁耦合系統(tǒng)響應(yīng)的不確定度

2.3 列車(chē)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(chē)橋梁耦合系統(tǒng)動(dòng)力可靠度

3 風(fēng)車(chē)橋耦合振動(dòng)研究

3.1 車(chē)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(lè)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(kāi)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(chē)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(guò)渡段列車(chē)氣動(dòng)特性的變化，研究發(fā)現(xiàn)車(chē)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(chē)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了橋塔遮蔽效應(yīng)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響，如圖3所示，研究表明車(chē)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(chē)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(chē)復(fù)雜行車(chē)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(guò)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(chē)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(guò)分析風(fēng)屏障前后及列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)特性的發(fā)展來(lái)研究風(fēng)屏障類(lèi)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(chē)橋系統(tǒng)行車(chē)抗風(fēng)安全性評(píng)估

3.4 風(fēng)浪/流車(chē)橋耦合振動(dòng)研究

4 地震車(chē)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(chē)橋耦合振動(dòng)精細(xì)化模型

4.3 車(chē)橋系統(tǒng)行車(chē)抗震安全性評(píng)估

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

4.4 地震車(chē)橋?qū)嶒?yàn)室模型及試驗(yàn)研究

圖6 車(chē)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(chē)輛軌道梁耦合振動(dòng)研究

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

5.1 新型磁浮列車(chē)的研發(fā)方面

磁浮列車(chē)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(wú)論是高速磁浮列車(chē)，還是中低速磁浮列車(chē)，學(xué)者們都曾試圖采用新型的車(chē)輛結(jié)構(gòu)來(lái)降低磁浮車(chē)橋系統(tǒng)的耦合振動(dòng)現(xiàn)象。

在2016年11月，中國(guó)中車(chē)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(guò)數(shù)年的技術(shù)攻關(guān)后，2019年5月23日，中國(guó)時(shí)速600 km高速磁浮試驗(yàn)樣車(chē)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(chē)上的空氣彈簧中置的新型磁浮列車(chē)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(guó)高速磁浮列車(chē)的發(fā)展和中低速磁浮列車(chē)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(chē)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(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。

5.3 磁浮交通車(chē)橋耦合振動(dòng)

磁浮列車(chē)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(chē)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(chē)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，降低磁浮車(chē)橋耦合振動(dòng)現(xiàn)象的核心是厘清磁浮車(chē)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(wèn)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(wèn)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(shuō)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(chē)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(guó)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(yíng)預(yù)警等。因此，未來(lái)10～20年，橋梁車(chē)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(guò)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)：