The kilometer scale rail-road suspension bridge is subjected to environmental thermal actions, causing significant temperature-induced effects on the rail track alignment and the rail-track vertical irregularity exceeding the threshold during operation. This paper investigates the temperature distribution and associated responses of a rail-road suspension bridge through a combination of structural health monitoring (SHM), on-site tests, and numerical analysis. Based on the SHM, a strong linear relationship between the ambient temperature and the temperature-induced effects on the girder was observed. It is concluded that the long-term temperature-induced effects can cause an overall temperature variation in the structure with the main factor being the girder deflection. Then, the long-term temperature-induced deflection of the mid-span can reach up to 30 mm/C. The on-site test results also indicate that the absolute elevation of the rail track has good followability relative to the girder, and dramatic temperature fluctuations can significantly influence rail-track irregularity. Based on measurements of the ambient temperatures and the adoption of a solar radiation model, the time-dependent temperature distribution and the temperature-induced deflections were calculated through a coupled thermomechanical method. Moreover, the dramatical variations of ambient temperature were then put into the numerical model to obtain the deflections of girder and chord offset values of the rail track. Results show that the dramatic variations of ambient temperature have exerted significant impacts on the rail-track irregularity on the bridge. These findings can provide an improved recommendation for maintaining rail-track operating performance during operation.
This study proposes an equivalent crack life prediction method for root cracks in T-welded joints. An equivalent initial defect is used to describe the severity of the weld defect. Fatigue life prediction is achieved based on equivalent fracture parameters and high-stress fatigue life reference points fitted to obtain a P-S-N curve for the entire stress range. Taking the 6082-aluminum alloy T-welded joints as the object, the test data under tensile load P-S-N curve fitting and crack growth simulation were carried out to compare and verify the applicability under constant and equivalent spectral load. This method enables deterministic fatigue life prediction with less testing and cost. Meanwhile, the approach incorporates the uncertainty of the physical model of the weld into the P-S-N curve, simplifying the process of calculating the probabilistic fatigue life.
由于我国高速铁路系统一般在夜间进行检修作业,故动车所对动车组最晚离所时间会有一个限制,避免某些列车受检修天窗的影响而长时间停站.在编制动车组交路计划时考虑此类约束条件,将大幅增加模型的求解难度.本文针对该问题,将动车组最晚离开动车所时间、一级检修里程周期和时间周期作为约束条件,分析动车组交路的优化目的,以动车组接续总时间和动车组交路总损失里程最小化为目标,基于列车接续网络图,建立离所时间约束下的动车组交路计划优化模型.结合模型的特点及其复杂性,设计求解模型的模拟退火启发式算法.并以太原南动车所的46个列车车次为例,分别在不考虑离所时间约束和考虑离所时间约束两种场景下,生成动车组交路优化方案.结果表明:在动车组交路个数、接续总时间和平均运行里程等指标几乎相同的情况下,实现了离所时间约束,使得交路计划更加符合运输生产实际需求.
针对传统双稳杜芬随机共振SR的输出饱和及噪声能量转换不足的问题,引入张角系数控制下的线性分段势阱函数,以抑制SR系统的输出饱和现象,采用非对称势阱函数扩大布朗粒子在单边势阱内的振荡范围,以增加SR输出幅值.结合非线性SR系统最佳耦合方式,构建非饱和-非对称二维SR系统,该系统的4个三维势阱的动力学特性丰富,势阱宽且陡峭度低,布朗粒子的振荡范围较大.采用多尺度简化粒子群优化算法,对构建的非饱和-非对称的二维SR系统进行多参数同步优化,进一步提高粒子在势阱内迁移向上的运动能量.仿真试验与高速铁路轴箱轴承的故障试验结果表明:所提出的优化耦合SR系统,能够显著增强特征信号幅值,提高噪声的利用率,在轴承早期损伤检测中具有突出优势.
隧道支护体系全过程信息化动态设计,是真正体现隧道设计施工一体化的理想设计方式.针对传统支护设计存在的针对性不强、统一性不高、安全冗余度偏大等问题,利用信息化、智能化等手段,研究支护体系全过程信息化动态设计与智能决策方法技术路线及关键内容.首先,给出涵盖地质、支护、施工等全过程全要素信息的样本数据库构建方法;其次,综合对比分析Bagging、Random Forest、Extra Trees等6种机器学习算法模型的适用性,明确智能设计决策算法优选类型;再次,提出基于支护变形指标的支护结构安全度量化评价方法;最后,制定支护优化智能决策反馈规则.研究结果为隧道支护体系全过程信息化动态设计与智能决策真正进入工程应用奠定了基础.
磁悬浮交通系统具有速度域宽、噪声小、环保节能、无接触悬浮与导向等特性,受到较为广泛的关注与研究.在磁浮列车-桥梁耦合系统动力学问题中,作为桥梁与磁浮列车之间的相互作用力,磁浮力是引起磁浮列车-桥梁耦合系统振动最根本的激励源,对其进行准确的计算与分析及其重要.简要阐述常导电磁悬浮、电动磁悬浮、高温超导磁悬浮的悬浮特点与基本原理,综述3种磁悬浮模式下磁浮力的计算公式,分析不同磁悬浮原理的优缺点及其适用情况.研究结果可为不同制式下磁浮列车-桥梁耦合系统中磁浮力的确定提供一定的参考.
准确度量高速铁路司机的警觉度是保障保证列车安全运行的关键问题.针对该问题提出一种通过眼动、心电信号及线路参数时序特征预测高速铁路司机警觉度的方法.研究基于心理学双任务范式设计模拟驾驶实验,主任务要求司机正常驾驶机车,次任务要求司机在看到红色信号灯亮起时迅速按键,以司机对次任务的反应时间来量化其警觉度.构建警觉度预测模型时,对每个试次提取7项眼动指标和19项心电指标以及环境参数,并通过灰色关联分析筛选出14项有效的生理指标.然后以司机生理指标和线路环境参数为自变量,以其对次任务的反应时间为因变量,构建基于LSTM-Attention算法的高速铁路司机警觉度预测模型.研究结果表明:LSTM-Attention 模型对40名高速铁路司机反应时间预测平均绝对误差为92.86 ms,均方根误差为102.31 ms,平均相对误差为9.6％,且时间序列长度为5时预测效果最好,注意力机制的引入能减小模型约4％的预测误差.本文所提方法可实现对高速铁路司机警觉度的连续度量,可为驾驶辅助系统的研发提供技术理论支撑.
轨道几何状态科学评估对保障高速铁路列车平稳、安全运行具有重要意义.基于高速综合检测列车多次检测数据,利用卷积神经网络、注意力模块和长短时记忆网络,分别学习数据的波形特征、注意力权值、长距离空间依赖关系特征,建立CBAM-CNN-LSTM车辆动态响应预测模型.该模型通过输入轨道几何、运行速度和车型预测不同工况下的车辆动态响应,进而利用预测的车辆动态响应评价轨道几何状态.研究结果表明,建立的模型能够有效预测车体振动响应,根据我国某高速铁路两种车型综合检测列车检测数据的验证结果,车体横向、垂向加速度的均方根预测误差分别为0.004g、0.009g,相关系数分别为0.608、0.793;利用预测的车辆动态响应评估轨道状态,能够有效识别引起车体振动加剧的轨道几何不利状态或隐形病害.此外,模型内部的注意力权值有助于分析挖掘导致轨道状态不良的轨道几何参数类型和位置信息.
高铁基础结构服役性能劣化是影响轨面几何形态极其关键的因素之一,也是高铁长期安全运营需要考虑的关键核心问题.为破解传统算法难以快速评价列车安全舒适性的难题,提出基于映射代理模型的桥上行车安全快速评价方法.基于Kriging代理模型,首先提出一种多目标并行加点新算法,并对算法在优化精度、效率、稳定性方面的优越性进行验证;其次以软土沉降区域运营高铁为例,通过将物理模型与优化算法相结合,构建板底脱空条件下桥墩沉降与列车动力响应的多点映射关系,搭建复杂服役条件下高效率计算行车安全参数的映射代理模型,最终实现对行车安全性的快速评价.研究结果表明:提出的映射代理模型能在快速、准确计算沉降与脱空组合工况下列车动力响应的同时,精准刻画行车安全阈值轮廓,促进高铁桥上行车安全智能评价方法的逐步形成,有力保障高铁桥梁-轨道系统的安全服役.
针对三相交流道岔转辙机故障诊断问题,提出一种基于多通道输入和一维卷积神经网络(1DCNN)-长短期记忆神经网络(LSTM)的故障诊断方法.首先使用经验模态分解算法对动作功率信号进行分解,获得若干个尺度特征不同的固有模态函数信号;其次建立基于1DCNN和LSTM的组合故障诊断模型,使用1DCNN提取功率信号中的局部特征,使用LSTM选择性提取局部特征中的长距离特征;然后通过所建模型诊断出道岔转辙机的故障类型,并结合t-分布随机近邻嵌入展示诊断效果;最后与经典的诊断方法进行对比分析.对比实验结果表明:本方法在道岔转辙机故障诊断中具有较高的准确性和稳定性,且具有较好的泛化性.
为更加精准地评估道岔设备健康状态,加强对设备的维护与管理,以ZDJ9型转辙机驱动的高速铁路道岔设备为研究对象,提取道岔功率曲线的时域、频域特征指标及经验模态分解奇异值熵,组成道岔特征指标向量,并采用核主成分分析法消除原始多维特征信息的冗余,构建道岔特征指标样本数据库;利用连续隐马尔可夫模型划分道岔退化状态,在此基础上,建立麻雀搜索算法优化支持向量机的健康状态综合评估模型.研究结果表明:所构建的健康状态评估模型的评估正确率高达98.75％,不仅能够实现高铁道岔设备健康状态综合评估效能,而且明显优于GridSearch-SVM、GA-SVM、PSO-SVM等组合算法,为实现道岔设备由"故障修"到"状态修"的综合智能维护提供可行途径.
在道砟中加入废旧轮胎碎屑(TDA)是一种新型道床改良方法.由于相关研究工作的缺乏,对TDA混合集料物理力学性能及作用规律的研究尚不足,研究结论尚不统一,对混合TDA作用机理的研究非常少见.因此本文基于大型动三轴试验,采用统一击实功方法制备集料,分析循环荷载作用下两种TDA尺寸和不同掺量对累积塑性应变、动弹性模量、滞回曲线、阻尼比等动力特性的影响规律;利用能量原理,研究混合集料累积总能量、弹性应变能、耗散能的分布规律,探索TDA混合的作用机理.研究结论表明,TDA颗粒大小及掺量都能够对混合集料的动力性能产生显著影响,随TDA掺量增加,集料累积变形增加,动弹性模量总体呈下降趋势;添加TDA可有效提高集料阻尼比、降低道砟破碎率;随掺量增加,累积总能量、弹性应变能及耗散能增加,塑性变形的增加是TDA降低道砟破碎率的根本原因;TDA掺量超过一定数值,弹性应变能过大可能引发剧烈振动,添加8～16 mm粒径TDA时掺量应控制在10％以内,16～25 mm粒径TDA下掺量应控制在15％以内;16～25 mm粒径TDA虽然在降低道砟破碎程度上略低于8～16 mmTDA,但总体上动力性能受TDA影响较小.本文提出的考虑能量平衡分布方法可为改良方案的优化设计提供新思路.
为研究不同运行方向、工作高度下高速受电弓的空气动能性能,推导受电弓各臂杆间夹角相对升弓高度的数学计算模型,计算不同升弓高度下高速受电弓气动抬升力和气动抬升系数;采用Fluent计算流体力学软件对高速受电弓不同运行速度、开/闭口运行方向和工作高度下气动抬升力、气动抬升系数进行仿真建模与数值求解;利用现场线路试验数据验证仿真结果和理论分析结论.结果表明:受电弓开口方向运行时,其工作高度与气动抬升系数、气动抬升力呈正相关,闭口方向运行时成负相关关系.一般情况下,开口方向运行的高速受电弓空气动力性能优于闭口方向.
为研究有砟轨道道砟嵌入现象及其对基床表层变形行为的影响,开展以道砟碎石-基床粉土双层试样为研究对象的动三轴试验,分析道砟嵌入对基床表层变形行为的影响,探讨基于道砟嵌入指标的基床表层变形行为标准.试验结果表明,道砟嵌入使得道砟碎石-基床粉土试样的粉土表层出现道砟槽痕并发生侧向变形,同时承受动荷载的能力降低;提高动应力水平和增加粉土含水率会加剧道砟嵌入程度;道砟碎石-基床粉土试样的破坏模式可分为剪切破坏型和软化破坏型;基床粉土含水率较低时,道砟碎石-基床粉土试样整体变形主要源于道砟和粉土的压缩变形,而当粉土含水率较高时,道砟嵌入引起的轴向和侧向变形则较为显著;当粉土处于最优含水率时,道砟嵌入速率为2.9×10-5 mm/s时道砟碎石-基床粉土试样达到塑性安定极限,而当粉土处于天然含水率和饱和含水率时,塑性安定极限对应的道砟嵌入速率则为1.4×10-4 mm/s.
为探究浅季节性冻土区不同密实状态的下膨胀土力学特性随冻融周期作用的演化规律,以取自平顶山的弱～中膨胀土为研究对象,配制不同密实状态的膨胀土试样,采用气候边缘地带浅季冻区极端低气温为冻结温度进行冻融循环与三轴剪切试验.试验结果表明:冻融循环作用下不同密实状态膨胀土的弹性模量、破坏强度及黏聚力均发生较大幅度衰减,内摩擦角则随冻融次数增加而呈现出波动性缓慢增长趋势;高压实系数膨胀土的"弱软化型"主应力差-应变关系随着围压和冻融次数增加而逐渐转变为"弱硬化型";低压实系数膨胀土主应力差-应变关系为"硬化型"且随着围压增加而增强;相同密实状态与侧向约束围压时,膨胀土达到相同应变时的主应力差随冻融次数增加而迅速减小.
为快速准确地获得薄壁梁的挠曲应力及位移,提出一种考虑各板剪切变形影响的薄壁梁挠曲分析方法.从薄壁板剪应变与位移关系出发,推导出具有明确力学机制的挠曲纵向位移函数;选取剪切变形引起的挠度作为广义位移,通过解耦挠曲性能提出剪切翘曲应力及挠度的一种简化分析方法;基于矩形板条的平面应力解,导出翼板翘曲应力修正系数的表达式;利用中支点的变形连续条件及简化分析理论,提出薄壁连续梁的剪切挠曲简化分析方法.数值算例结果表明,本文方法求得的应力结果与3D FEM结果最大误差在3％以内,挠度最大误差为6％以内,说明所提方法可靠且精度较高;参数分析表明,材料泊松比及板宽比对翼板的翘曲应力影响较大.
铁路桥梁长度长,跨越控制因素多,当采用标准梁跨设计时,为解决全桥梁跨匹配与优化问题,建立以梁跨重要性系数之和为目标函数,以道路、河流、管线为约束条件的整数线性规划模型,提出按约束条件分区布置再逐一合并的递推求解方法.结果表明,面对超大规模的最优化数学模型,通过定义布孔长度下限、布孔长度上限、修正布孔长度等参数,建立约束条件之间的联系,降低模型的计算维度,实现递推求解过程,从而节省求解时间.应用于多条高速铁路桥梁设计中,攻克铁路桥梁方案自动化设计的难题,解决长大桥梁精确、高效、经济的孔跨布置问题,实现梁跨与道路河流管线的优化匹配.
铁路货车制动装置零部件较多,制动力传递路径长,连接部位状态复杂,对制动性能有较大的影响.针对目前研究货车基础制动装置制动效率采用的理论计算分析法结果偏差大、现场试验分析法效率低、成本高等问题,采用多体动力学理论,建立铁路货车基础制动非线性动力学模型,提出一种基于计算机仿真技术的铁路货车基础制动装置动态性能预测方法,通过试验和仿真结果对比分析,验证该方法在工程应用上的实用性.基于铁路货车基础制动装置动态性能的准确预测,该方法还可为提高铁路货车制动性能一致性和精准性快速找到优化方向,在铁路货车制动性能改进方面具有较高的应用价值.
为增强桥梁结构的抗震能力和耐久性,针对大跨度铁路桥梁车致振动及地震响应的动力特点,以东平水道特大桥为工程背景,提出一种并联混合式减振方案,研究黏滞阻尼器对纵向滑移体系桥梁地震响应的控制效果,分析不同控制体系对列车荷载引起结构响应的影响.研究结果表明,黏滞阻尼器能显著减小大跨度铁路桥的地震结构位移和内力响应;泄压阀锁定装置对列车制动力和行车荷载的抑振能力优于黏滞阻尼器;当黏滞阻尼器和泄压阀锁定装置协同工作时,在降低二者出力值的同时可实现对列车荷载更好的控制效果,由于传力路径的改变,控制后的墩底剪力和弯矩均有所增大,但锁定装置的增大效应更小.
