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2024年  第24卷  第3期

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2024年第24卷第3期封面与目录
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综述
桥梁长寿命设计理论综述
刘永健, 刘江, 周绪红, 王壮, 孟俊苗, 赵鑫东, YANGJian, GHOSNMichel
摘要: 为促进桥梁长寿命设计理论的发展，从桥梁服役寿命及其影响机理出发，总结了现有桥梁长寿命设计的研究现状和面临的主要问题，探讨了未来研究重点和方向。研究结果表明：现行各国规范根据桥梁重要性及其所在公路等级进行桥梁设计寿命的规定，多采用变寿命的设计思路，赋予不同功能、重要程度、更换难度的桥梁构、部件不同的设计寿命；桥梁的寿命取决于其在真实服役环境下的长期性能，包含环境侵蚀作用下的耐久性能、反复荷载作用下的疲劳性能和持续荷载作用下的徐变性能，受服役环境、养护干预和施工过程的影响显著；新建桥梁长寿命技术主要从设计方法和高性能材料展开研究，现有服役寿命和耐久性设计方法主要围绕环境作用、劣化机理、材料性能、施工控制和检查管理等方面，达到了“看似满足”的设计目标，尚未能实现概率水平提升和设计寿命量化，全寿命设计则还停留在理念层面，UHPC、耐候钢、FRP等高性能材料的应用是提升桥梁设计寿命的有效方式；未来应以“明确结构定位，完善性能指标体系，优化结构初始状态，改善服役微环境，控制劣化传递路径”为长寿命设计的基本框架，围绕桥梁结构的长寿基因识别与调控、桥梁微环境全寿命周期演化规律、桥梁服役寿命的全概率量化设计方法等基础理论开展研究，以建立系统的桥梁长寿命设计理论体系。更多>
2024, 24(3): 1-24. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.001
摘要(400) HTML (104) PDF (28105KB) (140)
在役水泥路面劣化行为与延寿技术综述
李盛, 张海涛, 孙煜, 刘雅儒, 余时清, 王渺, 张宗帅
摘要: 为提升在役水泥路面的耐久性与服役寿命，围绕国内外水泥路面延寿修复技术研究现状，梳理了水泥路面结构的力学响应和疲劳损伤演化行为，分析了水泥路面主要病害形成机理、劣化行为和特征，总结了不同劣化行为控制技术的研究进展；基于充分利用旧水泥路面板剩余承载力的思想和旧水泥路面延寿加铺结构力学行为研究，提出了严酷环境下分离式加铺连续配筋混凝土(CRC)面板的典型加铺结构，总结了水泥路面结构服役行为的智能感知技术。研究结果表明：建立准确反映水泥路面服役行为的力学模型可为其合理设计和寿命精准预测提供科学的理论依据；在水泥路面破坏形成初期及时对其技术状况进行评价并修复，可在一定程度上延长其使用寿命；接缝传荷能力和板底脱空是影响水泥路面耐久性的显著因素，在旧水泥路面修复过程中应重点关注；旧水泥路面加铺沥青混凝土和水泥混凝土是其延寿的有效措施，从全寿命周期来看，重载交通在役水泥路面加铺CRC面板是其延寿的有效技术手段；未来应建立考虑在役水泥路面劣化行为、剩余强度等的寿命预估理论，开发高性能、易兼容和绿色环保的水泥路面延寿修复材料，借助服役性能多源异构大数据的感知与处理技术，完善在役水泥路面加铺结构设计的理论技术与行业规范，全面提升在役水泥路面的服役水平和使用寿命。更多>
2024, 24(3): 25-47. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.002
摘要(232) HTML (65) PDF (19035KB) (66)
乳化沥青冷再生混合料强度提升措施研究进展
汪海年, 焦虎, 徐宁, 陈玉, 李元乐
摘要: 分析了乳化沥青冷再生混合料的强度形成过程与构成机理，从外掺剂添加、结合料优化、设计方法和施工工艺改进以及再生沥青混合料回收料(RAP)预处理4个方面总结了乳化沥青冷再生沥青混合料强度的提升措施，分析对比了各种措施的提升机理和改善效果；根据各种措施存在的问题及特点，提出了相应的应用建议，并展望了未来的研究方向。研究结果表明：添加外掺剂来增强强度的研究相对较多，其次是优化结合料，改善混合料设计方法和施工工艺以及RAP预处理的研究较少，但这几个方面对于混合料强度的增加均有广阔的应用前景；外掺剂中，水泥最为常用，研究也最为系统，其增强效果要优于石灰，但掺量过高会导致低温抗裂性不足；火山灰质材料同样存在此问题，且杂质较多；纤维改善效果较为均衡，但受种类、掺量、添加顺序等因素影响；再生剂能够提高耐久性，但对早期强度不利；关于结合料，乳化沥青的慢裂性质有助于整体强度，高黏快凝有利于早期强度，掺量应适中，推荐3.5%~4.0%；改性乳化沥青应根据具体气候环境条件进行选择；改善混合料设计方法和施工工艺主要是从级配、含水率、结构层厚度、拌和顺序、压实养护方法等方面进行，强度增强效果相对较小，可作为附加改善条件；使用大掺量RAP的趋势使得RAP预处理技术变得更为重要，目前主要集中于降低结团率、级配分档、严控RAP储存条件和RAP表面化学改性4个方面。未来的研究应从以下几个方面进行：进一步明确火山灰质材料与乳化沥青之前的相互作用机理，以确定最佳掺量及剔除其中的杂质；探索不同外掺剂以及不同改性剂在提高混合料强度方面的复配应用；根据强度构成机理，探究多个提升措施的改善效果，以得到一个均衡的强度提升措施体系；重点关注RAP的预处理手段，探索RAP表面物理特性预处理对乳化沥青冷再生混合料强度的增强机理及效果。更多>
2024, 24(3): 48-68. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.003
摘要(256) HTML (60) PDF (15563KB) (64)
交通基础设施工程
长寿命耐候钢桥全寿命周期经济性评估模型
王春生, 张静雯, 谭晨欣, 段兰, 王一伟
摘要: 基于桥梁全寿命周期成本分析理论，系统归纳了长寿命耐候钢桥各阶段成本组成特点，明确了长寿命耐候钢桥全寿命周期经济性评估内容与特征参数，给出了长寿命耐候钢桥成本计算基本假设；从免涂装耐候钢桥与涂装钢桥成本差异出发，对比分析了2种钢桥建设阶段、运营阶段成本计算方法，建立了长寿命耐候钢桥全寿命周期经济性评估模型；以中国3座长寿命免涂装耐候钢组合梁桥为例，计算了长寿命耐候钢桥全寿命周期各阶段成本，明确了涂装、维护方案对长寿命耐候钢桥全寿命周期成本经济性的参数化影响，分析了长寿命免涂装耐候钢桥全寿命周期成本经济性优势。研究结果表明: 免涂装耐候钢桥与涂装钢桥成本差异主要体现在钢材与焊接材料价格、锈层检测成本、涂装维护成本与由此产生的环境及用户成本；与4种涂装钢桥相比，免涂装耐候钢桥全寿命周期成本减少11%~21%，在全寿命周期具有显著的经济性优势；水洗周期对成本具有显著影响，水洗周期从每6年1次增加到每年1次时，增加成本占全寿命周期成本差比的5%~11%；当免涂装耐候钢桥涂装面积达70%左右时，其全寿命周期成本大于涂装钢桥。长寿命耐候钢桥全寿命周期经济性评估模型可为桥梁方案设计与技术经济性比选提供依据，从而促进长寿命耐候钢桥的推广应用。更多>
2024, 24(3): 69-81. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.004
摘要(191) HTML (61) PDF (4558KB) (62)
带钢底板UHPC梁抗剪承载力计算方法
晏班夫, 刘千, 王凯, 涂兵, 柯璐
摘要: 为研究带钢底板的超高性能混凝土(UHPC)梁的抗剪性能和抗剪承载力计算方法，采用试验研究与理论分析的方法，设计制作了7片试验梁开展抗剪试验，试验参数包括接缝配置、纵向腹筋设置和剪跨比；结合极限平衡理论和分项线性叠加思想，建立了考虑箍筋、钢纤维、UHPC基体及钢板抗剪贡献的带钢底板UHPC梁抗剪承载力计算建议公式，并与法国规范计算公式进行比较。试验结果表明：接缝梁的破坏形态均为接缝处错位的剪切破坏，主裂缝沿靠近跨中的接缝一侧斜向发展，而完整梁的破坏形态与剪跨比有关，随着剪跨比的增加从剪压破坏向弯剪破坏转变；接缝的存在会降低带钢底板UHPC梁的抗剪承载力，且随剪跨比的增大而减小，设置纵向腹筋则可有效提高其抗剪承载力与变形能力；采用本文提出的计算方法的抗剪承载力计算值与试验值的平均比值为0.91，变异系数为0.16，采用法国规范抗剪承载力计算方法的抗剪承载力计算值与试验值的平均比值为1.08，变异系数为0.29，因此本文提出的计算方法离散性较小，可适用于带钢底板UHPC梁的抗剪承载力计算。更多>
2024, 24(3): 82-93. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.005
摘要(154) HTML (44) PDF (6095KB) (30)
矩形截面型钢超高性能混凝土梁抗弯承载力
林上顺, 暨邦冲, 刘君平, 林建凡, 赵锦冰
摘要: 为研究矩形截面型钢超高性能混凝土(SRUHPC)梁的抗弯特性，制作了4根配筋率为0.8%~1.1%，含钢率为8.7%~15.6%，内置型钢分别为一字型、倒T型与H型的矩形截面SRUHPC梁试件，开展了抗弯极限承载力试验，分析了矩形截面SRUHPC梁试件的损伤机理和破坏模式；基于试验结果与理论推导，提出了矩形截面SRUHPC梁抗弯承载力计算方法，计算了21根矩形截面SRUHPC梁试件和111个有限元计算模型的抗弯承载力，并将计算结果与试验值和有限元计算值进行了对比。分析结果表明：矩形截面SRUHPC梁试件的破坏模式均为适筋受弯破坏，即型钢与受拉纵筋先后屈服，随后受压区UHPC被压碎，且型钢与UHPC可较好地共同工作至试件破坏；内置倒T型钢试件和H型钢试件的承载力和刚度高于内置一字型钢试件，且抗裂性能更好；与其他试件相比，内置H型钢试件中纵筋、UHPC与型钢在相同荷载作用下的应变及其发展速度均较小，因此，在矩形截面SRUHPC梁内的型钢中设置上、下翼缘有助于提高组合梁的抗弯性能；采用提出方法得到的计算结果与试验值和有限元计算值的比值均值分别为0.972和1.035，方差分别为0.009和0.002，研究结果可为矩形截面SRUHPC梁在实际工程中的推广应用和规范、规程的制定提供理论支撑。更多>
2024, 24(3): 94-109. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.006
摘要(133) HTML (39) PDF (15182KB) (29)
高速铁路桥上设计震致轨道几何不平顺等效方法
余建, 周旺保, 蒋丽忠, 冯玉林, 刘祥
摘要: 为解决考虑结构随机的设计震致轨道几何不平顺等效问题，建立了高速铁路轨道-桥梁系统的数值仿真模型，基于短时傅里叶变换和假设检验原理构造了设计震致轨道几何不平顺，建立了设计震致轨道几何不平顺的等效拟合模型和等效幅值反应谱，提出了考虑结构随机的等效幅值反应谱修正方法，结合震后实测轨道几何不平顺对设计震致轨道几何不平顺等效方法的合理性展开了评价。分析结果表明：在不同墩高条件下，采用正弦函数和一次函数的组合作为等效拟合模型可将设计震致轨道几何不平顺的拟合误差控制在10%以内；在设防地震和罕遇地震作用下，当修正系数分别取为3.0和1.5时，等效拟合模型与修正系数相乘得到的修正拟合模型可以满足随机结构的适用性需求；地震前后实测轨道几何不平顺形状和幅值均无明显差异，对应的横向车体加速度幅值误差小于5%，当地震强度较小时列车可正常运行，无需大幅度减速；与震后实测轨道几何不平顺相比，设计震致轨道几何不平顺使横向车体加速度幅值提升了近50%，基于设计震致轨道几何不平顺计算得到的震后行车速度阈值具有合理安全余量；建立的高速铁路桥上设计震致轨道几何不平顺等效方法可为高速铁路震后行车速度阈值确定与基于震后行车性能的抗震设计提供快速准确的手算方法。更多>
2024, 24(3): 110-123. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.007
摘要(129) HTML (32) PDF (11824KB) (34)
薄直中隔墙连拱隧道钢带加固措施抗震效果
王明年, 李泽星, 唐浪洲, 于丽, 路明
摘要: 以宁巧隧道工程为研究对象，基于地震易损性分析方法，在FLAC3D中建立了三维动力时程数值计算模型；通过Python语言进行二次开发，实现了易损性分析中增量动力分析方法的全流程自动化计算；给出了薄直中隔墙连拱隧道结构在有无钢带加固措施、2种地震波入射方向(水平与竖直方向)、2种围岩级别(Ⅳ与Ⅴ级)共8种不同因素组合下的易损性曲线，得到了结构在隧址区抗震设防烈度下的损伤概率；通过对比分析损伤概率评价了钢带加固措施的抗震效果及规律；通过大型振动台试验，对比相似模型结构在有无抗震措施下的破坏形态和损伤程度，验证了钢带加固措施的实际作用效果。研究结果表明：无论何种因素组合，钢带加固措施均能有效减小结构在不同损伤状态下的损伤概率，作用效果受围岩级别影响较大，受地震波入射方向影响较小；Ⅴ级围岩条件下，其轻微、中度、重度损伤状态下的损伤概率在地震波水平方向入射时分别减小了51.94%、41.29%、29.63%，在竖直方向入射时分别减小了55.68%、48.32%、35.29%；Ⅳ级围岩条件下，其轻微、中度、重度损伤状态下的损伤概率在地震波水平方向入射时分别减小了16.45%、11.19%、7.11%，在竖直方向入射时分别减小了12.23%、9.45%、7.49%；振动台试验中，使用钢带加固后的相似模型在最不利因素组合条件下的损伤程度明显低于无抗震措施结构；钢带加固措施能通过提高结构整体承载能力，有效地减少病害数量，降低结构损伤程度，提高结构抗震性能。更多>
2024, 24(3): 124-138. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.008
摘要(76) HTML (46) PDF (18323KB) (21)
考虑砂浆随机分布的多孔沥青混合料黏附/黏聚失效行为
王晓威, 张一鸣, 王兴威, 任家兴, 杨旭, 黄育兆, 汪海年
摘要: 为获得更加真实的多孔沥青混合料(PAC)黏附/黏聚失效行为，提出了一种考虑砂浆随机分布的细观有限元建模方法；基于X射线CT扫描和图像处理技术量化了PAC的真实细观结构和砂浆分布，研究了砂浆的随机分布特性；通过可精确控制砂浆厚度的拉拔试验评价了不同厚度砂浆的黏附/黏聚性能，确定了不同厚度砂浆对应的内聚力模型参数；在砂浆-集料边界和砂浆内部嵌入零厚度内聚力单元，并基于PAC内不同区域的砂浆厚度赋予该区域内聚力单元相应的模型参数，最终构建了考虑砂浆随机分布的细观有限元模型(模型A)，研究了PAC黏附/黏聚失效行为的细观演化过程。研究结果表明：推荐将试件分割为36份用于表征砂浆的随机分布特性，砂浆厚度对其黏附/黏聚性能、失效模式以及内聚力模型参数具有显著影响，当砂浆厚度小于0.9 mm或在1.2~1.8 mm时为黏附失效，大于1.9 mm时为黏附-黏聚混合失效，其他厚度下为黏聚失效，且同一失效模式下，黏附/黏聚强度随着砂浆厚度的增大而增大；与不考虑砂浆随机分布的细观有限元模型(模型B)相比，模型A和B的起裂点均为黏附失效，但失效位置不同，模型B以单一的黏附失效为主，模型A表现出多种黏附/黏聚失效行为，与现场复杂的黏附/黏聚失效行为更加一致；砂浆的随机分布对PAC黏附/黏聚失效过程、应力分布、裂缝发展具有显著的影响，故考虑砂浆的随机分布能够更加准确地识别PAC黏附/黏聚失效的最不利位置，增大砂浆厚度能够延缓黏附/黏聚失效的扩展过程。更多>
2024, 24(3): 139-153. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.009
摘要(117) HTML (18) PDF (31415KB) (26)
多维图像融合驱动的复杂场景路表破损识别
管进超, 丁玲, 杨旭, 刘鹏飞, 汪海年
摘要: 为提升复杂场景中路表裂缝与坑槽的识别精度和鲁棒性，考虑实际检测场景中路表破损形态的不规则性和环境噪声干扰，提出了一种面向多维图像的路表破损自动分割模型与特征融合优化方法；基于多目立体视觉重构的路表高精度点云模型，通过同源点云栅格化生成二、三维图像，建立了复杂场景路表破损图像数据集；结合深度可分离卷积和多层位特征叠加，构造了轻量化编码-解码网络PDU-net，用于像素级裂缝与坑槽识别；在分割模型基础上，提出了像素运算和通道重组2种多维图像融合策略，以提升深度学习网络对浅细裂缝特征的提取效率。试验结果表明：PDU-net模型能够有效学习不同类型图像和破损特征，在不同数据集上的训练损失均能稳定收敛，其中三维图像训练周期小于二维图像；相较于现有卷积分割网络，PDU-net模型在复杂场景下的路表破损分割精度和效率更高，三维裂缝与坑槽图像分割的调和均值分别为81.00%和95.85%，平均正向推理时间约为现有模型的30%；多维融合图像可以提升复杂裂缝分割的精度和鲁棒性，在最优色彩-深度比为0.2时，裂缝分割的调和均值可提升至83.31%。综上所述，所提出的方法可在复杂场景中有效抑制环境噪声并强化病害特征。更多>
2024, 24(3): 154-170. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.010
摘要(145) HTML (32) PDF (33041KB) (47)
千枚岩复合改良土单轴压缩力学特性
赵秀绍, 程安, 赵林浩, 邓琪, 周志杰, 饶江龙
摘要: 针对千枚岩土作为路基填料强度不足的问题，提出一种水泥与红黏土联合改良千枚岩土的方法，通过无侧限抗压强度试验，研究了水泥与红黏土复合改良千枚岩土浸水与不浸水试样的应力-应变曲线，分析了无侧限抗压强度与变形模量随红黏土掺和比与水泥掺量的变化趋势。试验结果表明：随着红黏土掺和比的增大，当水泥掺量为0时，红黏土改良千枚岩土的应力-应变曲线为典型的弹塑性特征，而当水泥掺量不为0时，复合改良土的应力-应变曲线近似表现为线弹性特征，红黏土改良千枚岩土与复合改良土的无侧限抗压强度与变形模量均增大；在浸水条件下，红黏土改良千枚岩土试样发生崩解导致无侧限抗压强度和变形模量降低至0，复合改良土无侧限抗压强度和变形模量减小，水泥掺量分别为3%与5%时，软化系数分别为0.45~0.62与0.71~0.93，因此，复合改良土水稳性更优；水泥与红黏土复合改良千枚岩土时，无侧限抗压强度增加幅度大于水泥与红黏土单独改良增幅之和，实现了“1+1>2”的改良效果，即协同作用，因此，宜采用复合改良方案改良千枚岩土；水泥掺量为3%与红黏土掺和比为20%可以作为满足规范350 kPa强度要求的经济复合改良方案，为了增强水稳定性、快速填筑和协同作用的充分发挥，可以考虑水泥掺量为5%与红黏土掺和比为40%的复合改良方案。更多>
2024, 24(3): 171-180. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.011
摘要(89) HTML (19) PDF (9511KB) (20)
盐湖区高速铁路长短桩复合地基变形特性
杨晓华, 王东清, 张莎莎, 孔祥鑫, 李安洪, 赵彦虎
摘要: 依托伊朗德黑兰至伊斯法罕高速铁路项目，开展全长桩(混凝土桩)、全短桩(碎石桩)和长短桩(混凝土桩-碎石桩)复合地基离心模型试验，模拟了填筑与工后2年的地基沉降过程，研究了桩长比、桩间距、短桩布置形式与填土高度对地基沉降特性的影响。研究结果表明：在相同地质条件下，全长桩、长短桩和全短桩复合地基的桩间土工后沉降分别为28.16、36.17和53.95 mm，分别减小了70%、60%和40%以上，因此，全长桩和长短桩复合地基工后沉降可以满足规范要求(不超过于50 mm)，长短桩复合地基工后沉降介于全长桩和全短桩复合地基工后沉降之间；桩长比每增加0.1，桩间距分别为3、4倍桩径时长短桩复合地基沉降分别减小7%~12%和8%左右，表明提高桩长比能够显著改善复合地基的沉降控制效果，并随桩间距的增大而更为有效；桩间距从3倍桩径增大到5倍桩径，桩长比为0.5时复合地基沉降从36.56 mm增至55.71 mm，桩长比为0.7时复合地基沉降从28.38 mm增至45.93 mm，表明在较大桩间距下沉降控制效果较差，为使沉降满足规范要求，桩间距为5倍桩径时桩长比应不小于0.5；桩长比为0.7时，一长一短、一长两短和一长三短3种布置形式复合地基沉降分别为28.37、38.06和43.69 mm，表明在相邻两长桩之间布置更多短桩可以兼顾沉降控制与经济性，短桩布置越多，长桩应力越大，但应力整体趋势保持不变；不同填土高度下长短桩复合地基中碎石桩块体以向下运动为主，长桩刺入垫层，短桩刺入软土，并在剪切变形与块体侧向挤出的作用下形成局部潜在滑移面。更多>
2024, 24(3): 181-192. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.012
摘要(73) HTML (22) PDF (12943KB) (21)
钢轨吸振器对轮轨摩擦自激振动的抑制效果
崔晓璐, 钟言明, 徐晓天, 唐传平, 徐佳, 杨红娟, 漆伟
摘要: 基于摩擦自激振动理论和现场调研，建立了DTVI2和科隆蛋扣件结构支撑下的小半径曲线区段轮对-钢轨-吸振器系统有限元模型，采用复特征值分析和瞬时动态分析研究了2种扣件区段钢轨吸振器对钢轨波磨的抑制效果；通过最小二乘法和粒子群算法研究了钢轨吸振器的不同参数对钢轨波磨的影响规律，确定2种扣件下钢轨吸振器的最优参数组合。研究结果表明：安装钢轨吸振器前后，轮对-钢轨-吸振器系统发生摩擦自激振动的主要频率为480 Hz；DTVI2扣件的最大垂向振动加速度由270.01 m·s-2下降到206.07 m·s-2，降低了23.71 %，功率谱密度(PSD)峰值由98.98 dB下降到94.92 dB；科隆蛋扣件的最大垂向振动加速度由300.97 m·s-2下降到211.44 m·s-2，降低了29.74%，PSD峰值由101.58 dB下降到95.14 dB；在DTVI2扣件区段中，钢轨吸振器质量为14.0 kg，连接刚度为9.0×106 N·m-1，连接阻尼为1.0×105 N·s·m-1时对钢轨波磨的抑制效果最好；在科隆蛋扣件区段中，钢轨吸振器质量为7.5 kg，连接刚度为1.07×107 N·m-1，连接阻尼为1.0×105 N·s·m-1时钢轨波磨的抑制效果最好。可见，安装钢轨吸振器能够有效抑制轮轨系统的摩擦自激振动，从而抑制钢轨波磨的产生和发展；钢轨吸振器对科隆蛋扣件区段钢轨波磨的抑制效果优于DTVI2扣件区段；合理选取钢轨吸振器的连接参数会进一步抑制钢轨波磨的产生和发展。更多>
2024, 24(3): 193-203. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.013
摘要(68) HTML (24) PDF (13042KB) (27)
基于惯性增强效应的曲线轨道结构垂向振动控制
杨舟, 冯青松, 张凌, 陆建飞
摘要: 针对曲线轨道的垂向振动控制，基于惯性增强效应，引入了调谐质量阻尼惯容器(TMDI)和振幅放大型调谐质量阻尼器(AM-TMD)，以实现更佳的振动控制效果；将曲线轨道考虑为离散支承的曲线Timoshenko梁结构，采用能量泛函变分法建立了有限长曲线轨道分析模型；在曲线钢轨两端引入完美匹配层作为低反射边界条件，用于更好地模拟无限长轨道结构；通过与已有无限长离散支承曲线轨道动力响应计算结果的对比，验证了分析模型的准确性以及完美匹配层的有效性；分析了垂向固定谐荷载作用下，调谐质量阻尼器(TMD)、TMDI和AM-TMD对曲线轨道动力响应的影响，评估了TMD、TMDI和AM-TMD的减振性能；分析了振幅放大系数与TMD工作能力之间的关系，揭示了AM-TMD的工作机理。研究结果表明：TMDI的引入有效地弥补了传统TMD在实现宽频控制时的质量缺陷，与TMD相比，同参数的TMDI工作带宽拓宽约1.5倍，最大振动衰减提升了约5.5 dB；AM-TMD的实质在于利用振幅放大机构来同步增大TMD的有效质量、刚度和阻尼，进而全面提升TMD的工作能力，与TMD相比，同参数的AM-TMD工作带宽拓宽约2.0倍，最大振动衰减提升了约6.1 dB。可见，从宽频控制、高衰减率的角度考虑，TMDI、AM-TMD比TMD更具优势。更多>
2024, 24(3): 204-216. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.014
摘要(74) HTML (21) PDF (8685KB) (24)
载运工具运用工程
横风作用下空载和满载敞车的动力学特性对比
王开云, 何文涛, 胡彦霖, 閤鑫
摘要: 建立了考虑1节机车和4节敞车的货物列车空气动力学模型，研究了风速对空载和满载敞车车体表面压力分布规律的影响，计算了敞车受到的气动载荷，并将气动载荷加载到货物列车动力学模型，从车体姿态和运行安全性两方面分析了不同速度横风作用下空载和满载敞车的动力学特性。研究结果表明：在横风作用下，机车后第1节敞车受到的侧力、升力和侧滚力矩最大，当风速为10 m·s-1时，最大值分别为-7.17 kN、4.59 kN、1.89 kN·m；对于第1节敞车，当风速为10 m·s-1时，满载敞车受到的侧力、点头力矩和摇头力矩相比于空载敞车分别减小了15.8%、79.0%和12.2%，而受到的升力和侧滚力矩分别增大了39.9%和56.6%，因此，装载状态对横风作用下敞车气动载荷有较大影响；空载敞车更易受气动载荷影响，当风速分别为25、30 m·s-1时，空载敞车1的车体横移分别为-12.66、-14.82 mm，满载敞车1的车体横移分别为-12.01、-13.68 mm，空载敞车1的车体侧滚角分别-0.69°、-0.83°，满载敞车1的车体侧滚角分别-0.64°、-0.73°, 因此，空载敞车横移与侧滚角大于满载敞车；当风速为25 m·s-1时，空载敞车的轮重减载率达到0.68，已超出安全限值0.65，而满载敞车的轮重减载率为0.24，小于安全限值，当风速为30 m·s-1，空载敞车的倾覆系数达到0.75，接近安全限值0.80，而满载敞车的倾覆系数仅为0.23，因此，较大速度横风作用下，空载敞车存在较大的运行安全风险。更多>
2024, 24(3): 217-226. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.015
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地铁列车关键气密部件对车内压力舒适性的影响
李杨, 刘友梅
摘要: 为全面分析地铁列车运营时车外压力对车内乘客耳压舒适性的影响，采用实车线路试验方法，实测了地铁列车匀速通过隧道时，关键气密部件(空调压力波保护阀、车门气动辅助锁与贯通道排污孔筛)在不同密封条件下的车内、外压力，分析了车外压力波动特性、沿列车长度方向的压力分布规律以及车内关键气密部件对车内压力变化幅值的影响。研究结果表明：头车和中间车的车外压力受车头进入隧道产生的压缩波影响较大，列车车身表面压力峰值从头车向尾车逐渐降低；在空调开启时，相较于启用压力波保护阀，未启用时车内3 s内压力变化幅值增加了48%~61%，1 s内增加了75%~90%，说明空调压力波保护阀对车内压力舒适性影响显著；在空调关闭时，与启用车门气动辅助锁相比，未启用时3 s内车内压力变化幅值增加了39%~46%，1 s内增加了69%~78%，表明车门气动辅助锁对车内压力舒适性的影响仅次于空调压力波保护阀；在空调关闭的情况下，与启用贯通道排污孔筛相比，未启用时3 s内车内压力变化幅值增加了3%~11%，1 s内增加了1%~13%，说明贯通道排污孔筛对车内压力的影响较小。更多>
2024, 24(3): 227-237. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.016
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基于区间二型模糊逻辑的制动防抱死控制
王骏骋, 吕林峰, 王法慧
摘要: 针对传统模糊逻辑制动防抱死控制抗干扰能力较弱，在面对不同路面附着系数及理想滑移率时滑移率控制效果较差的问题，提出了一种区间二型模糊逻辑制动防抱死控制系统和方法；控制系统以滑移率误差为输入，利用区间二型模糊集合描述了滑移率误差及其变化率，并经模糊化、模糊推理、模糊降型、解模糊化4个步骤得到理想制动力矩输出；根据上、下隶属度函数确定的模糊变量隶属度计算模糊规则激活度区间，以增强系统的抗干扰能力，并保证滑移率精准跟踪；基于MATLAB/SIMULINK软件，针对搭载了提出的控制器与传统控制器的车辆，模拟了在不同路面附着条件下的防抱死控制性能，并搭建了防抱死硬件在环平台，进行了验证分析。研究结果表明：在区间二型模糊逻辑制动防抱死控制下，车辆在低附着系数路面下前、后轮滑移率误差均方分别下降了52.96%和57.36%，制动距离缩短了0.24 m，制动时间降低了0.04 s；在中附路面下前、后轮滑移率误差均方分别下降了65.15%和73.32%，制动距离缩短了0.36 m，制动时间降低了0.05 s；在高附着系数路面下前、后轮滑移率误差均方分别下降了47.20%和39.57%，制动距离缩短了0.19 m，制动时间降低了0.02 s。由此可见，相比于传统模糊逻辑制动防抱死控制，提出的区间二型模糊逻辑制动防抱死控制在不同制动条件下均能取得更好的滑移率控制效果。更多>
2024, 24(3): 238-250. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.017
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交通运输规划与管理
基于混合策略的机坪车辆主动式实时调度方法
包丹文, 陈卓, 姚馨宇, 周佳怡
摘要: 为解决不确定性事件造成的机坪车辆调度扰动问题，提出了一种基于混合策略的机坪车辆主动式实时调度方法；设计了一种考虑机坪分区的灵活运行机制，以允许车辆自适应调整停放区域；建立了一个混合整数规划模型，旨在最小化航班保障请求总响应时间与机坪车辆总行驶距离；从时空双重维度考虑服务代价，引入车辆时空服务半径指标，设计了基于未来请求信息的灵活等待策略与动态搬迁策略；通过主动式调度策略提高航班保障服务质量，降低服务车辆运行成本，并以北京首都国际机场为实例进行了实证研究。研究结果表明：与传统调度模式相比，灵活运行机制可有效提高车辆运行效率，并缩短空闲车辆折返距离，请求总响应时间与车辆总行驶距离分别下降了37.0%和36.8%；灵活等待策略适用于航班起降密集的高峰时段，车辆总行驶距离缩短了11.6%；动态搬迁策略适用于覆盖范围较广的机坪区域，在请求总响应时间降低17.8%的同时会产生较高的搬迁成本，车辆总行驶距离将增加12.5%。由此可见，针对繁忙的大型枢纽机场，采用混合策略能够在航班保障服务质量与服务车辆运行成本间取得有效平衡。更多>
2024, 24(3): 251-265. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.018
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纯电动绿色船舶长航程航次规划与充换电策略
梁民仓, 王胜正
摘要: 针对纯电动船舶长航程航次规划和充换电站选址的动态规划问题，提出了一种可行的多变量、多目标优化模型，实现航速和充换电策略的同步优化；建立了能耗最低和航时最短的双目标函数，分析了影响纯电动船舶长航程航次规划的环境和操作因素，构建了航速、航时和能耗约束条件；研究了集装箱式电池运营管理模式，建立了能量补给按照实际耗电量计费和更换电池一次性计费2种优化模型；利用非支配排序遗传算法完成了模型求解并进行试验案例验证。研究结果表明：基于案例数据条件，优化前以保证续航到第2个充换电站进行补给的最大平均航速8.5 kn计算，需耗能96 637.7 kWh、总航时62.1 h；以实际耗电量计费时，采用优化模型得到的充换电策略均是在第2个充换电站进行补给，以最短航时为优化目标时总航时仅需56.9 h，以最低能耗为优化目标时总能耗仅需65 762.5 kWh；以更换电池一次性计费时，优化模型的结果存在2种策略，即全程不换电池和在第2个充换电站更换一次电池，并且满足在更换电池前累积能耗接近船载电池的总容量，可最大程度利用能量；优化模型能够给出不同电池运营管理模式和用户偏好条件下的最优航速和充换电策略，并且能够应用于充换电站选址决策，对提高纯电动绿色船舶的运营效益具有重要意义。更多>
2024, 24(3): 266-278. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.019
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交通信息与控制
面向环境不确定性的船舶操纵运动建模与预报方法
陈立家, 周欣蔚, 杨沛艺, 王凯, 李胜为
摘要: 为解决复杂环境因素影响下的船舶操纵运动预报精度问题，提出了一种面向环境不确定性的船舶操纵运动灰箱辨识建模与预报方法；参考分离型船舶操纵运动模型结构，考虑船舶操纵运动机理，建立了简化的灰箱模型；选取合适的试验对象，运用最小二乘支持向量机算法对建立的船舶操纵运动灰箱模型进行参数辨识，并通过旋回试验和Z形操纵试验测试了模型的泛化性；通过环境不确定性因素分析，构建了波浪作用力干扰模型、数据传输延时模型和感知设备误差模型，并以此为基础，生成了具有多种环境不确定性因素影响的船舶运动响应训练数据；通过仿真试验，验证了预报方法在环境不确定性因素干扰下的预报精度。研究结果表明：在引入环境不确定性因素影响的船舶操纵运动预报试验中，当感知设备误差由0逐渐提升至5%和10%时，除受较小的初始数量级因素影响的横摇速度外，其余船舶运动响应预报结果的均方根误差增幅均小于10%，预测模型的精度可以得到有效保证；而在感知设备误差达到20%的极端条件下，纵荡速度、横荡速度、艏摇速度预报误差相较于0时分别提升4.65%、15.97%、18.17%，误差增幅仍能有效控制在20%以下。可见，船舶操纵运动建模与预报方法可在一定程度上实现环境不确定性因素干扰下的高精度船舶操纵运动预报。更多>
2024, 24(3): 279-295. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.020
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基于LSTM-KF模型的高速列车群组追踪运行轨迹预测方法
张淼, 何仪娟, 杨博宇, 罗正伟, 卢万里, 唐涛, 李开成, 吕继东
摘要: 为进一步缩小列车追踪距离以提高运力，研究了高速列车群组追踪运行轨迹预测问题；考虑长短期记忆网络(LSTM)模型处理序列数据的优势和卡尔曼滤波(KF)模型噪声处理的能力，提出了一种新型列车轨迹预测LSTM-KF模型；使用列车运行的历史数据进行LSTM模型训练，生成了列车轨迹预测曲线；KF模型结合预测结果和动力学机理，更正了计算结果，使LSTM模型预测的列车轨迹变得平滑；依托于高铁列控系统仿真测试平台的标准线路数据进行了仿真验证。仿真结果表明：在巡航工况下，30个预测步长后，LSTM-KF、LSTM和循环神经网络(RNN)模型的位置预测误差分别为78、798和911 m，速度相对真实值的预测误差分别为1、22和1 m·s-1，LSTM-KF模型的位置均方根误差(RMSE)分别为LSTM和RNN的7%和15%，LSTM-KF模型的速度RMSE分别为LSTM和RNN的14%和30%；在加速工况下，3个模型的位置预测误差均值分别为94、294和2 691 m，速度预测误差均值分别为0.09、10.05和2.74 m·s-1；在减速工况下，3个模型的位置预测误差均值分别为1 181、4 135和4 079 m，速度预测误差均值分别为1.14、6.01和13.52 m·s-1。可见，LSTM-KF模型在不同运行工况下均能显著提升预测精度，能够有效生成长时域数据序列，为高速列车群组追踪运行提供决策。更多>
2024, 24(3): 296-310. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.03.021
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