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Random dynamic analysis of vertical train–bridge systems under small probability by surrogate model and subset simulation with splitting

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Railway Engineering Science 2020年第3期28卷 305-315页

作者： Huoyue Xiang Ping Tang Yuan Zhang Yongle Li School of Civil Engineering Southwest Jiaotong UniversityChengdu 610031China

The response of the train–bridge system has an obvious random behavior.A high traffic density and a long maintenance period of a track will result in a substantial increase in the number of trains running on a bridge,and there is small likelihood that the maximum responses of the train and bridge happen in the total maintenance period of the ***,the coupling model of train–bridge systems is ***,an ensemble method is presented,which can estimate the small probabilities of a dynamic system with stochastic *** main idea of the ensemble method is to use the NARX(nonlinear autoregressive with exogenous input)model to replace the physical model and apply subset simulation with splitting to obtain the extreme ***,the efficiency of the suggested method is compared with the direct Monte Carlo simulation method,and the probability exceedance of train responses under the vertical track irregularity is *** results show that when the small probability of train responses under vertical track irregularity is estimated,the ensemble method can reduce both the calculation time of a single sample and the required number of samples.

关键词： Train–bridge system Ensemble method Surrogate model Nonlinear autoregressive with exogenous input Subset simulation with splitting Small probability

高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟

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振动与冲击 2020年第20期39卷 175-182页

作者：何佳骏向活跃曾敏李永乐彭栋西南交通大学桥梁工程系成都610031 中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063 中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉430056

列车高速通过桥上全封闭声屏障时会产生压力波,作用于全封闭声屏障引起全封闭声屏障的振动。为了探究作用于全封闭声屏障上的压力荷载的特点,以某全封闭声屏障使用线路为研究背景,通过CFD数值模拟对列车通过全封闭声屏障过程中形成压力... 详细信息

列车高速通过桥上全封闭声屏障时会产生压力波,作用于全封闭声屏障引起全封闭声屏障的振动。为了探究作用于全封闭声屏障上的压力荷载的特点,以某全封闭声屏障使用线路为研究背景,通过CFD数值模拟对列车通过全封闭声屏障过程中形成压力波的特性进行了研究。在验证数值模型的基础上,考查了压力波在横向、纵向分布的特点及衰减特性,分析了最不利压力荷载出现的时刻以及位置,对比分析了车速、全封闭声屏障断面形状及双车交会的影响。结果表明,全封闭声屏障内同一断面压力荷载基本相同,压力波沿列车运行方向存在最不利的压力,单车以200 km/h行驶时,全封闭声屏障表面最大正压为758.54 Pa,最大负压为-959.56 Pa。列车驶出后,全封闭声屏障内仍有一定的压力波,其衰减周期为压力波在全封闭声屏障内传播一个循环的时间。阻塞比保持不变时,全封闭声屏障断面形状对于压力波的影响较小,双车对开时全封闭声屏障压力荷载显著增大,正压最大值为1462.72 Pa,负压最大值为-1613.08 Pa。

关键词：高速铁路全封闭声屏障压力波数值模拟动网格

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桥隧过渡段高速列车行车抗风安全分析

西南交通大学学报 2021年第5期56卷 1056-1064页

作者：何佳骏向活跃龙俊廷李永乐西南交通大学土木工程学院四川成都610031

列车由隧道驶上桥梁时会承受突变的风荷载,列车的响应发生突变,导致列车的行车安全受到威胁.以某客运专线桥隧过渡段为研究背景,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟和车桥耦合振动分析,计算了CRH3型列车通过桥隧过渡段时受到的气动力及车... 详细信息

列车由隧道驶上桥梁时会承受突变的风荷载,列车的响应发生突变,导致列车的行车安全受到威胁.以某客运专线桥隧过渡段为研究背景,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟和车桥耦合振动分析,计算了CRH3型列车通过桥隧过渡段时受到的气动力及车辆响应;对比分析了头车、中间车及尾车的气动力及列车响应,研究了大风攻角对列车气动力及行车响应的影响,探讨了最不利的安全指标.研究结果表明:越靠近车头的车体,气动力突变与列车响应越大;相比0°攻角,正风攻角对行车相对有利,+7°的风攻角下列车受到的气动阻力和力矩减小了约10%;负风攻角会增大列车的气动力突变效应和行车响应,−7°风攻角下列车受到的气动阻力和力矩增加了约10%;风速在22.5 m/s以下时,CRH3列车能够以200 km/h的车速安全通过桥隧过渡段;20 m/s风速时,车速在325 km/h以下时列车能够安全通过桥隧过渡段;随着车速与风速的增加,轮轴横向力是首先超限的安全性指标.

关键词：桥隧过渡段数值模拟车桥耦合振动大风攻角安全性分析

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基于子集分裂模拟的车-桥系统极值响应统计

振动与冲击 2020年第5期39卷 105-111,136页

作者：向活跃唐平王涛李永乐西南交通大学土木工程学院成都610031 西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621010

车-桥系统的失效属于小概率事件,采用子集分裂模拟方法(Subset Simulation with Splitting,SS/S)对车-桥系统响应进行了分析。首先,采用MATLAB编制了车-桥系统的分析程序,并通过数值算例进行了验证。其次,回顾了SS/S法的基本原理,采用... 详细信息

车-桥系统的失效属于小概率事件,采用子集分裂模拟方法(Subset Simulation with Splitting,SS/S)对车-桥系统响应进行了分析。首先,采用MATLAB编制了车-桥系统的分析程序,并通过数值算例进行了验证。其次,回顾了SS/S法的基本原理,采用自回归模型(Autoregressive Models,AR模型),对轨道不平顺进行条件模拟,给出了车-桥系统响应的SS/S统计分析框架,并采用数值算例进行了验证。最后,针对车-桥系统,利用SS/S得到了车体竖向和横向加速度超越概率,并与蒙特卡洛法(MCS法)进行了对比验证。结果表明:相较于直接MCS方法,SS/S方法可大幅度减少车-桥系统响应极值超越概率曲线估计时所需的样本,显著提高计算效率。

关键词：车-桥系统极值响应 SS/S方法 AR模型

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扁平钢箱梁风屏障防风效果的数值模拟研究

振动与冲击 2022年第6期41卷 298-306页

作者：胡博向活跃李永乐西南交通大学土木工程学院成都610031 西南交通大学风工程四川省重点实验室成都610031

为研究扁平钢箱梁风屏障的防风效果,在验证数值模型准确性的基础上,针对扁平钢箱梁上分离障条直线型风屏障,研究了风屏障对桥面风场分布的影响,采用神经网络模型建立了风屏障风速折系数的代理模型,考查了风屏障高度与透风率的影响,给出... 详细信息

为研究扁平钢箱梁风屏障的防风效果,在验证数值模型准确性的基础上,针对扁平钢箱梁上分离障条直线型风屏障,研究了风屏障对桥面风场分布的影响,采用神经网络模型建立了风屏障风速折系数的代理模型,考查了风屏障高度与透风率的影响,给出了风速折减系数随风屏障高度和透风率变化的等值线曲线。结果表明:当风屏障高度增加到一定程度后,再增加高度对风屏障防风效果的提高有限;风速折减系数随风屏障透风率的增加,在迎风侧车道和背风侧车道位置处呈现不同的形态;在风屏障透风率大于20%,高度小于3.5 m的情况下,上游车道的风速折减系数大于下游。风屏障风速折减系数神经网络模型可用于预测和评估风屏障的防风效果,研究结果为风屏障参数的选择提供参考。

关键词：风屏障风速折系数计算流体力学(CFD)模拟神经网络代理模型

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三主桁断面车-桥气动特性的风洞试验研究

振动与冲击 2022年第7期41卷 268-275页

作者：韩旭向活跃罗扣李永乐西南交通大学土木工程学院成都610031 风工程四川省重点实验室成都610031 中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉430050

为研究三主桁断面车-桥组合系统的气动特性。以某大跨度斜拉桥为工程背景,采用节段模型风洞试验,通过开发的车-桥气动力同步测试装置对车-桥组合状态下各自的气动力进行测试,研究了线路位置、双车交会间距、风攻角等因素对车-桥系统气... 详细信息

为研究三主桁断面车-桥组合系统的气动特性。以某大跨度斜拉桥为工程背景,采用节段模型风洞试验,通过开发的车-桥气动力同步测试装置对车-桥组合状态下各自的气动力进行测试,研究了线路位置、双车交会间距、风攻角等因素对车-桥系统气动特性的影响,分析紊流来流对车-桥气动特性的影响,并讨论列车气动导纳的特征。结果表明:由于绕流剪切层的影响,靠近迎风侧车辆阻力系数大于其他线路,线路2上列车的升力系数最大;双车交会时,背风侧车辆的阻力系数和升力系数随交会间距的增大而增大;受桁架自身绕流的影响,紊流来流对列车气动力功率谱影响较小;阻力和升力的气动导纳随折减频率呈现先增后减的趋势。

关键词：三主桁断面车-桥系统气动特性同步测试装置气动导纳风洞试验

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公铁平层桥梁桥塔遮风效应风洞试验研究

西南交通大学学报 2023年第2期58卷 388-397页

作者：何佳骏向活跃朱金张博韬李永乐西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学风工程四川省重点实验室四川成都610031

车辆经过桥塔区域时,由于桥塔的遮风效应,其气动荷载会产生突变,且公铁平层桥梁的桥塔由于纵向尺度较大,车辆经过桥塔区域时气动荷载的变化更加剧烈.为明确某公铁平层桥梁上车辆在桥塔区域的气动特性,制作了1/20大比例尺的风洞试验模型... 详细信息

车辆经过桥塔区域时,由于桥塔的遮风效应,其气动荷载会产生突变,且公铁平层桥梁的桥塔由于纵向尺度较大,车辆经过桥塔区域时气动荷载的变化更加剧烈.为明确某公铁平层桥梁上车辆在桥塔区域的气动特性,制作了1/20大比例尺的风洞试验模型;基于优化后的测试系统,测试了车辆通过公铁平层宽幅桥梁桥塔时的气动荷载,研究了车道位置、车辆类型以及桥塔外形对通过桥塔车辆的气动特性的影响.结果表明:越靠近桥塔车道上的车辆,经过桥塔时的横向力系数、摇头力矩系数的突变量更大,正向升力也越大,因而更容易发生侧滑与侧偏;车长对车辆通过桥塔区域的性能有显著影响,长度较小的车辆具有更大的横向力系数突变量,长度较长的车辆具有更大的倾覆力矩系数、摇头力矩系数及点头力矩系数突变量;与矩形截面桥塔相比,带倒角的桥塔使得厢式货车的横向力突变量减小了43.7%,使集装箱车的横向力系数突变量减小了25.8%,且使集装箱车的摇头力矩系数突变量减小了29.2%.

关键词：公铁平层桥梁宽幅桥面桥塔风洞试验汽车气动性能

基于风-车-桥的城市轨道交通桥横向挠跨比建议值研究

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振动与冲击 2020年第24期39卷 211-217页

作者：李永乐龙俊廷向活跃马虎何孟松谢佳桃西南交通大学桥梁工程系成都610031 风工程四川省重点实验室成都610031 重庆轨道交通(集团)有限公司重庆400042

《城市轨道交通桥梁设计规范》中横向挠跨比要求1/4000,但部分建成使用的桥并不满足规范中的限值却也能安全运营,城市轨道专用桥受桥宽限制,其横向刚度相对较小,对于大跨度城市轨道交通桥梁仍按1/4000设计时,可能导致建设成本增大。以... 详细信息

《城市轨道交通桥梁设计规范》中横向挠跨比要求1/4000,但部分建成使用的桥并不满足规范中的限值却也能安全运营,城市轨道专用桥受桥宽限制,其横向刚度相对较小,对于大跨度城市轨道交通桥梁仍按1/4000设计时,可能导致建设成本增大。以五座在建或已建成的城市轨道交通专用桥梁作为背景,通过改变主梁截面横向惯性矩实现不同的桥梁横向刚度,采用自主研发软件BANSYS,进行风-车-桥耦合振动分析,以考查桥梁横向刚度对行车性能的影响,考查了车型、桥梁类型及跨度、不同安全指标类型等因素的影响,得到车辆安全性指标超限时的横向刚度限值,以此时桥梁模型按列车横向摇摆力、风力作用下得到相应的限值挠跨比。结果表明,在列车横向摇摆力和风力作用下,城市轨道交通专用桥的横向挠跨比不大于1/2500时,在风速为25 m/s,车速不超过80 km/h条件下运行时可满足行车安全性。

关键词：大跨度城市轨道交通专用桥横向刚度横向挠跨比风-车-桥耦合振动

顺向斜风作用下桥面运动车辆气动特性试验研究

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西南交通大学学报 2022年第1期57卷 99-105页

作者：韩旭向活跃李永乐西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学风工程四川省重点实验室四川成都610031

顺向斜风对行车安全的影响不容忽略,为考查顺向斜风对运动车辆气动特性的影响,采用移动车辆模型风洞试验装置,针对缩尺比为1/20的车辆和桥梁模型,测试了顺向斜风作用下运动车辆的气动特性,讨论了风速、风向和风屏障等因素对移动车辆气... 详细信息

顺向斜风对行车安全的影响不容忽略,为考查顺向斜风对运动车辆气动特性的影响,采用移动车辆模型风洞试验装置,针对缩尺比为1/20的车辆和桥梁模型,测试了顺向斜风作用下运动车辆的气动特性,讨论了风速、风向和风屏障等因素对移动车辆气动特性的影响.结果表明:移动车辆的五分力系数在不同风速时吻合较好;侧向阻力系数、升力系数和点头力矩系数随着合成风偏角的增大而减小;风偏角较小时,风向角对车辆的升力系数有较明显的影响;风屏障使车辆的气动力系数接近0,且明显地改变了车辆气动力系数随风偏角的变化规律;设置风屏障后,车辆阻力系数的变化率受风偏角、车速和风速等条件的影响.

关键词：移动车辆模型风洞试验顺向斜风气动特性风屏障