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期刊信息/Journal information
铁道科学与工程学报
铁道科学与工程学报

余志武

双月刊

1672-7029

jrse@mail.csu.cn

0731-82655133；82656174

410075

长沙市韶山南路22号

铁道科学与工程学报/Journal Journal of Railway Science and EngineeringCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是中南大学主办的以理工为主的综合性学术刊物。1979年创刊，1982年公开改进，主要刊登土木工程、建筑工程、交通工程、自动控制、计算机科学与技术、运输管理工程、机电工程、数学力学、基础研究等方面的学术论文。1992年起被列为全国中文核心期刊，1994年被列为美国Ei Page数据库核心期刊。
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    泡沫轻质土回填管道沟槽路面表层动力响应研究

    阮波田江魏丽敏何群...
    659-668页
    查看更多>>摘要：市政道路下伏管道沟槽常采用土、砂子、碎石等传统散体材料回填,由于沟槽空间受限,压实度难以满足设计要求,管道破损渗漏或交通荷载作用下,容易造成路面开裂,甚至塌陷.泡沫轻质土具有轻质、高强、自密实、抗渗漏等特性,可以将其应用于管道沟槽回填工程.为了研究泡沫轻质土回填管道沟槽的路面动力响应特性,以振动加速度和动位移为动力响应指标,开展泡沫轻质土回填段和中砂回填段的路面动力响应现场试验.试验车速分别为20,40和60 km/h,车重分别为空载、半载、满载,共9种试验工况.研究结果表明,泡沫轻质土回填区段测点振动加速度最大值、动位移最大值分别为31.93 mm/s2、6.23 μm,而中砂回填区段分别为35.79 mm/s2、6.90 μm.振动加速度峰值、动位移峰值均随车重、车速的增加而增大.车重由空载变为满载时,泡沫轻质土回填区段测点动位移峰值变化幅度仅为中砂回填区段测点的15.2%～51.0%;车速由20 km/h增加至60 km/h时,动位移峰值变化幅度为中砂回填区段测点的16.8%～66.8%.泡沫轻质土回填区段振动加速度峰值衰减率、动位移峰值衰减率分别为中砂回填区段的1.16～1.38倍及1.15～1.33倍,削减了沟槽回填区段路面测点振动的高频和低频成分,泡沫轻质土回填区段整体刚度较好,减振效果良好.研究成果可为泡沫轻质土回填管道沟槽的设计施工提供参考.

    管道沟槽回填泡沫轻质土中砂振动加速度动位移

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    基于直接概率积分法的列车-轨道-桥梁系统随机分析

    刘虎兵宋力徐磊蒋丽忠...
    669-680页
    查看更多>>摘要：由于施工和制造误差使得铁路工程结构参数不可避免地具有不确定性,同时作为系统主要自激励的轨道不平顺亦具有明显的随机性和时变性,因此,探明不确定因子对列车和轨道-桥梁结构动态性能的影响非常重要.为了高效地完成列车-轨道-桥梁系统随机性能分析,建立列车-轨道-桥梁空间振动分析模型,采用轨道不平顺概率模型和谱表达-随机函数的方式在有限随机变量空间中实现轨道不平顺随机过程的高效模拟.引入概率密度积分方程和直接概率积分法发展了列车-轨道-桥梁系统随机动力方程和相应的计算求解策略.基于MATLAB实现了列车-轨道-桥梁随机振动的直接概率积分法分析程序,计算了全概率不平顺激励和参数随机条件下车-轨-桥系统振动响应的均值、标准差和时变的概率密度信息.研究结果表明:与概率密度演化分析方法相比,直接概率积分法可较好地反映行车过程中系统响应的概率密度特征,然而其在系统响应随机后处理时更为高效,其效率可提高1～2个数量级.此外,考虑轨道不平顺全概率激励更能准确地反映行车过程系统响应的概率特征,平均概率谱可能使得计算结果偏于保守;行车速度对于列车和桥梁动态行为的影响是显著的,随着行车速度的增加系统响应的范围逐渐变大.研究结果进一步拓展了列车-轨道-桥梁随机系统的分析方法,可以高效地用于系统状态评估和设计优化.

    直接概率积分法列车-轨道-桥梁相互作用随机分析谱表达-随机函数法

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    局部受热锈蚀预应力混凝土梁力学性能试验研究

    杨鸥刘智宇葛鹏吕博文...
    681-696页
    查看更多>>摘要：随着我国基础建设的发展,大量混凝土桥梁在恶劣环境影响下发生腐蚀和老化,腐蚀桥梁结构的灾害破坏机理研究对桥梁结构的运营安全具有重要意义.为研究已经锈蚀受损的桥梁在局部受热状态下的高温力学性能,设计10根预应力混凝土梁试件.其中对照组的2根试件在常温下加载,试验变量为预应力筋初始应力,试验组的8根试件在高温下加载,试验变量分别为钢筋锈蚀、预应力筋初始应力、初始荷载.首先,基于电化学原理对4根预应力混凝土梁进行钢筋加速锈蚀处理,然后利用复合高温试验炉对8根预应力混凝土梁(4根锈蚀、4根未锈蚀)在跨中进行三面受火试验.最后,采用数值方法对局部受热预应力混凝土梁进行了仿真分析.研究结果表明:局部受热条件下,预应力混凝土梁的承载能力会发生明显降低,下降幅度约为11.3%～14.9%;钢筋锈蚀导致的混凝土开裂会对预应力混凝土梁的抗火性能产生不利影响,主要表现为2个方面,1)相同试验条件下,锈蚀后的试件预应力增量更大;2)锈蚀试件在局部受热条件下承载能力下降幅度更大,约为19.4%～21.9%;增大预应力筋的初始应力可以减小预应力混凝土梁在局部受热时的高温蠕变变形;局部高温作用下预应力混凝土梁对初始荷载较为敏感,当试件初始荷载值提升20%时,三分点位移量约增大60%.研究成果可以为实际锈蚀桥梁的防火设计和灾后应急提供理论依据.

    预应力混凝土梁局部受热钢筋锈蚀火灾试验温度场

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    波形钢-UHPC组合桥面板中栓钉-PBL连接件抗剪性能数值模拟研究

    阳霞何俊杰户东阳肖柏军...
    697-708页
    查看更多>>摘要：针对波形顶板-超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)新型组合桥面板结构,提出在波形钢板波峰处布置短栓钉,波谷处布置开孔板(Perfobond Leiste,PBL),形成栓钉-PBL组合连接件协同抗剪.为探究该组合连接件的抗剪力学性能,建立组合连接件推出试验及梁式试验的有限元模型,并基于现有试验对模型的正确性进行验证.在此基础上,讨论了栓钉直径、PBL孔径、栓钉抗拉强度和UHPC抗压强度等设计参数对组合连接件抗剪性能的影响规律.通过分析组合连接件在推出试验全过程中的剪力分配规律,揭示了波形顶板-UHPC组合结构中栓钉与PBL剪力连接件的协同工作机理及破坏机理,并基于此提出组合连接件的设计理论和抗剪承载力计算方法.研究结果表明:组合连接件受到的剪力由栓钉和PBL共同承担,增加短栓钉直径、PBL孔径和UHPC强度均可有效提高组合连接件抗剪承载力;栓钉与无贯穿钢筋的PBL连接件抗剪承载力相近时,后者在加载初期承担的荷载较大,并会早于栓钉发生破坏;二者抗剪承载力之比在1.5左右时,大致同时进入破坏阶段,组合效果最佳;提出的栓钉-PBL组合连接件抗剪承载力计算公式的计算结果与有限元及试验结果吻合度较高;抗剪连接程度相同时,采用组合连接件的桥面板受力性能最佳,钢板与UHPC层之间的相对滑移和间隙均最小.

    栓钉-PBL组合连接件数值模拟推出试验波形顶板-UHPC组合桥面板抗剪性能

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    混合梁斜拉桥微膨胀UHPC灌注钢混结合段的时变效应

    谭星宇刘路明方志洪金圣...
    709-720页
    查看更多>>摘要：为明确微膨胀超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete,UHPC)灌注材料的收缩徐变对混合梁斜拉桥钢混结合段长期性能的影响,以湖北武穴长江公路大桥为工程背景,开展材性试验与结构反应实测.基于一种全桥杆系+局部空间网格的多尺度有限元建模方法,对不同灌注材料收缩徐变下钢混结合段的时变效应进行分析研究.研究结果表明:实桥所采用的微膨胀UHPC在测试龄期内膨胀应变呈现出先增后减且始终保持膨胀的趋势,在约5 d龄期时达到最大膨胀应变292.6με,至1 080 d时为83.8με;徐变系数在前50 d龄期内增长较快,至1 080 d时为1.63.灌注材料的收缩可在结合段内部产生显著的次应力,表现为内填混凝土的拉应力和钢格室的压应力;徐变则会导致混凝土应力松弛而使一部分恒载压应力向钢结构转移.运营20 a后,钢混结合段内填普通混凝土存在较高的开裂风险.未作收缩控制的普通UHPC虽亦出现拉应力,但未超过其抗拉强度,抗裂安全系数仍可达到1.5以上.而微膨胀UHPC处于受压状态,不存在开裂问题.微膨胀UHPC的应用,既可改善内填混凝土的抗裂性能,又有助于常规钢混结合段的结构优化,大幅减少材料用量和结构自重.

    混合梁斜拉桥钢混结合段超高性能混凝土(UHPC)微膨胀混凝土收缩徐变

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    黄土场地条件下地铁车站诱导缝三维地震响应研究

    权登州王玉铃柴少波范智双...
    721-734页
    查看更多>>摘要：自20世纪90年代地铁车站结构诱导缝概念提出以来,诱导缝已在我国大、中等城市地铁车站中得到广泛应用,但其抗震性能尚未得到验证.以西安黄土地区地铁车站工程建设为研究背景,基于ABAQUS非线性有限元软件平台,建立黄土场地与地铁车站结构动力相互作用三维数值模型,通过大型地震模拟振动台试验与数值模拟的对比研究,验证了数值模型及分析方法的可靠性.基于上述数值分析方法,进一步建立原型结构数值计算模型,研究不同频谱特性及不同峰值加速度地震波作用下黄土场地中地铁车站诱导缝的地震响应规律.研究结果表明:诱导缝断面处结构更易发生较大水平相对位移而产生破坏,为地铁车站结构的薄弱面,且其两侧结构水平相对滑动沿地铁车站结构从下往上逐渐增大;诱导缝两侧结构竖向相对错动沿地铁车站截面宽度方向呈现出两端较大、中间相对较小的规律;在低频成分丰富的西安人工波作用下,诱导缝处余留纵向钢筋塑性变形发展贯穿整个地震作用过程,塑性应变累积效果更显著.研究结果初步揭示了设诱导缝地铁车站的地震响应特征及规律,对进一步探索设诱导缝地铁车站在地震作用下的结构损伤、破坏发展的内在动力与作用机制有一定参考价值,可为黄土地区地铁地下结构诱导缝的抗震设计提供参考.

    黄土地区地铁车站诱导缝数值模拟地震响应

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    中低速磁浮列车制动过程的时滞补偿预测控制

    崔俊锋王长远王琦周艳丽...
    735-747页
    查看更多>>摘要：中低速磁悬浮列车制动过程中具有非线性强、时滞大、时滞特性难处理等特性,传统列车制动控制方法难以实现对磁浮列车制动过程的精准速度控制.为解决中低速磁悬浮列车制动过程的时滞问题,提高制动控制精度,提出一种中低速磁浮列车制动过程的时滞补偿预测控制方法.首先,根据中低速磁悬浮列车实际运行数据,利用带有遗忘因子的递推最小二乘法辨识列车模型参数,建立列车自回归模型.然后,根据得到的受控自回归积分滑动平均模型和Smith预估器构建带时滞补偿的广义预测控制器并分析其控制律更新过程,实现对中低速磁悬浮列车制动过程的纯滞后补偿,降低列车制动过程中时滞特性的影响.最后,基于某磁浮线现场数据,以中低速磁悬浮列车制动过程为被控对象进行实验仿真,并比较时滞补偿广义预测控制方法与传统广义预测控制方法对于中低速磁悬浮列车制动过程速度跟踪控制的效果.仿真结果表明:所设计的时滞补偿广义预测控制器能够以更高的精度实现对中低速磁悬浮列车制动过程的速度跟踪,且与传统广义预测控制方法相比,系统跟踪误差更小并具有更好的控制性能.所提出的时滞补偿广义预测控制算法不仅解决了中低速磁悬浮列车制动过程的时滞问题,而且有效提高了列车制动控制的精度,验证了该方法的有效性.

    中低速磁悬浮列车制动过程时滞补偿广义预测控制Smith预估器

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    双层动车复合式冷却系统散热与噪声控制的优化研究

    胡金润杜昱静陈梅洁周萍...
    748-758页
    查看更多>>摘要：高速双层动车由于其内部空间紧凑以及元件的高功率化,冷却系统存在整体散热性能较差、噪声污染严重的问题.为此,通过冷却系统空气流场的数值模拟与试验研究,对其散热性能和噪声控制进行了优化.参照常用的冷却系统空气流道结构,基于双层动车复合式冷却系统的技术参数要求,对其尺寸进行了初步设计计算.分别采用多孔介质模型和多参考系(MRF)对复合式冷却系统换热器的芯体结构与旋风过滤器进行简化,并对其空气侧流场进行数值模拟.研究结果表明:风机入口处存在局部涡流,导致流体进入通风机的角度混乱,影响风机有效做功,在工作环境下系统风量(2.96 m3/s)远小于设计值(3.35 m3/s);同时局部涡流产生较大的气动噪声.此外,换热器入口的风速分布不均匀,导致系统冷却能力不足.针对上述问题,对空气流道结构进行了优化.调整了进、出口消声器的3个流道的流通面积,并在过渡段设置"喇叭型"导流结构来改善换热器进口处风速的均匀性;在冷却系统进、出口增加弧线型消声器能进一步降低噪声.结果表明:空气流道结构优化后水侧散热功率从33.18 kW增加到41.55 kW,油侧散热功率从157.82 kW增加到173.82 kW,系统加权平均噪声值从74.95 dB(A)降低到72.21 dB(A).本研究可为类似工程项目冷却系统的优化设计提供参考,有助于改善乘坐体验和车辆运行的经济性.

    双层动车冷却系统优化设计消声器噪声换热器

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    基于线性强化结构应变法的低周疲劳分析

    邱广宇史少聪梁广源李向伟...
    759-768页
    查看更多>>摘要：焊接结构的低周疲劳分析对于轨道车辆尤为重要.为了有效评估焊接结构的低周疲劳,提出一种基于线性强化本构的结构应变数值计算方法.该方法基于经典板壳理论和弹塑性力学.通过考虑材料的应变硬化行为,将材料的真实应力应变关系简化为线性强化本构关系.利用有限元分析软件ABAQUS和Fe-safe计算焊接结构焊趾位置的结构应力,给出基于径向回退算法的线性强化本构塑性修正模型.利用MATLAB编写结构应变数值计算程序对结构应力进行塑性修正,并计算结构应变.基于该结构应变,给出了考虑板厚效应和载荷模式的等效结构应变范围计算公式,利用主应变-寿命曲线分析低周疲劳数据,建立了广泛用于轨道车辆的Q450高强度耐候钢材料制成的3种焊接接头的有限元模型.采用结构应力法的主应力-寿命曲线和结构应变数值计算方法的主应变-寿命曲线对试验获得的疲劳数据进行分析,并对比2种方法计算的等效结构应变范围.结果表明,各焊接接头的试验数据均分布在主应变-寿命曲线的线性窄带内,验证了结构应变数值计算法的可行性;与结构应力法相比,结构应变数值计算方法能更好地反映低周疲劳过程中材料的应变硬化现象,更适用于焊接结构的低周疲劳评估.该方法对轨道车辆焊接板结构的低周疲劳评估具有研究价值.与传统的通过提取节点力的方式计算结构应力和结构应变参数的方法相比,利用MATLAB编写结构应变数值计算程序极大地提高了结构应变参数计算的效率.

    焊接接头低周疲劳结构应变线性强化本构主应变-寿命曲线

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    铁路沿线光伏供电系统优化设计方法研究

    胡田飞刘济华张翊敏袁一飞...
    769-780页
    查看更多>>摘要：离网式太阳能光伏系统是解决铁路沿线设施电气化运维用电需求的必要途径.《光伏发电站设计规范》(GB 50797―2012)等相关规范的规定或建议一般以年最大发电量为目标,主要面向均衡性负载和并网发电,直接用于铁路沿线时存在盲目性.针对铁路沿线特殊的用电场景与负载需求,提出了铁路沿线离网式光储系统的组件匹配原则及设计流程,构建了面向任意时间跨度的光伏供电系统优化设计模型,并基于Python语言编制了计算程序.模型包括太阳辐照量模型、光伏阵列倾角及间距模型、发电量模型、光伏组件数量及串并联方案模型、蓄电池模型、控制器模型及逆变器模型等.计算程序实现了光伏阵列最优倾角的自动搜索,可以针对不同地理位置、用电量和用电时间跨度(月、季节、年等)的负载需求,并考虑气象条件、组件性能衰减等因素的影响,完成光储系统的设计选型和安装方案优化.在准池铁路的实际应用表明,一年中光伏阵列在各月对应的最优倾角存在明显差异,6月达到最小值16°,12月达到峰值69°.以全年、夏半年、冬半年的最大总辐照量为目标时,最优倾角分别为46°、25°、61°.对于案例中冬季型负载,采用基于本文模型的设计方案相比规范建议方案节省投资8.8%.研究成果可为铁路沿线光伏供电系统应用提供一种便捷的设计方案.

    铁路光伏供电系统光伏阵列太阳辐照量最优倾角冬季型负载

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