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钢轨波磨检测原理、方法及装置研究进展

机械工程学报 2025年

作者：肖宏王阳刘秀波崔旭浩张智海金锋北京交通大学土木建筑工程学院北京交通大学轨道工程北京市重点实验室中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室长安大学公路学院中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所

对钢轨波磨的检测原理进行了系统梳理，总结其优缺点与适用范围，阐述依据不同检测原理的检测方法，综述常见的波磨静态和动态检测装置及新一代检测、监测装置的研发进展，并展望波磨检测的研究方向。研究结果表明：钢轨波磨检测原理可... 详细信息

对钢轨波磨的检测原理进行了系统梳理，总结其优缺点与适用范围，阐述依据不同检测原理的检测方法，综述常见的波磨静态和动态检测装置及新一代检测、监测装置的研发进展，并展望波磨检测的研究方向。研究结果表明：钢轨波磨检测原理可分为弦测法、惯性基准法、信号重构法、机器视觉法与时序建模法五类。弦测法具有传递函数不为1的固有缺陷，波长越短幅值振荡越剧烈，可使用组合弦模型测量波磨。惯性基准法依据惯性原理，传感器可安装在轴箱、构架以及车体等多个位置，低速下惯性传感器的响应越来越小，噪声与趋势项成分逐渐占据主导。信号重构法利用数字信号处理技术分解轴箱加速度、构架加速度、轮轨噪声及车内噪声信号等多源数据，从中提取关于波磨的有效信息。机器视觉法基于图像处理和模式识别技术，使计算机能够感知、理解和解释钢轨图像中的内容，主要包括基于图像处理、基于激光摄像和基于三维点云重构三种方法测量波磨。时序建模法将波磨识别转换为分类或回归问题，通过机器学习、深度学习技术建立波磨与振动、噪声等响应的映射关系，从而实现对波磨的检测。钢轨波磨的检测、监测装置朝着智能化、集成化和小型化的便携测量方向发展。

关键词：钢轨波磨检测原理检测装置机器视觉深度学习

基于贝叶斯优化支持向量回归的流线型箱梁颤振气动外形优化方法

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东南大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 275-284页

作者：封周权邓佳逸华旭刚陈政清湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室长沙410082 湖南大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室长沙410082

为解决风洞试验耗时费力和计算流体动力学(CFD)计算量大的问题,提出了一套新型流线型箱梁断面颤振性能气动外形优化方法.以风嘴参数为设计变量,利用CFD获取断面三分力系数,以准定常理论估算的颤振临界风速为优化目标.根据贝叶斯优化支... 详细信息

为解决风洞试验耗时费力和计算流体动力学(CFD)计算量大的问题,提出了一套新型流线型箱梁断面颤振性能气动外形优化方法.以风嘴参数为设计变量,利用CFD获取断面三分力系数,以准定常理论估算的颤振临界风速为优化目标.根据贝叶斯优化支持向量回归构建代理模型,利用混合加点法更新模型,通过寻优算法确定最优断面.以虎门大桥为例,得到桥梁在可行域内颤振性能最佳的断面方案.结果表明,风嘴升高,颤振临界风速先增后减,相对高度为0.6时整体性能较优,相对高度为0.7时可获得最优断面.底板宽增加,颤振性能显著降低,下斜腹板倾角为14°~16°时颤振性能最优.断面优化后桥梁颤振临界风速相比原始断面提升约31%.

关键词：流线型箱梁气动优化颤振性能支持向量回归贝叶斯优化准定常理论

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桥梁颤振导数识别及颤振分析的不确定性研究

中国公路学报 2023年第8期36卷 14-21页

作者：封周权林阳华旭刚陈政清湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室湖南长沙410082 桥梁工程安全与韧性全国重点实验室(湖南大学) 湖南长沙410082

由于风洞试验和理论模型的各种不确定性,通过风洞试验获得的颤振导数及相应的颤振临界风速存在不确定性。为了量化这些不确定性,提出了一种创新的近似贝叶斯方法。该方法通过抽样和模拟来近似表达似然函数,从而实现颤振导数的准确识别... 详细信息

由于风洞试验和理论模型的各种不确定性,通过风洞试验获得的颤振导数及相应的颤振临界风速存在不确定性。为了量化这些不确定性,提出了一种创新的近似贝叶斯方法。该方法通过抽样和模拟来近似表达似然函数,从而实现颤振导数的准确识别和不确定性量化。同时,还研究了颤振导数不确定性在颤振分析中的传播情况。采用子集模拟技术与近似贝叶斯方法相结合,以提高参数后验样本的抽样效率。该方法不仅能够获得颤振导数和颤振临界风速的最优估计,还能获得其后验概率分布。通过理想平板数值模拟和实桥主梁断面风洞试验,验证了该方法的有效性,并将其与传统最小二乘法进行了比较。研究结果显示:该方法得到的颤振导数最优估计与最小二乘法结果非常接近;在低风速下,所有导数的不确定性都较小,而在中高风速情况下,大多数导数都具有较大的不确定性,尤其是接近颤振临界风速时,所有导数的不确定性均较大;颤振导数的不确定性会在颤振分析中传播,导致颤振临界风速也存在较大的不确定性。所提出的近似贝叶斯方法能够准确识别颤振导数,并量化其不确定性,从而实现桥梁颤振性能的概率性评价;为桥梁颤振分析提供了新的思路,为确保桥梁的抗风安全提供了有力支持。

关键词：桥梁工程不确定性量化近似贝叶斯计算颤振导数颤振分析子集模拟

震后RC桥墩竖向承载力最优工程需求参数的选取方法

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土木工程学报 2024年第4期57卷 59-70页

作者：董慧慧马睿韩强杜修力北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室北京100124

桥墩结构的震后竖向承载力是评估梁式桥梁震后通行功能的重要指标,但其难以测量。为了快速定量地评估桥梁结构的震后通行能力,对评估梁式桥梁结构震后竖向承载力的最优工程需求参数(EDP)进行了系统地研究。首先选取与墩柱残余侧移和损... 详细信息

桥墩结构的震后竖向承载力是评估梁式桥梁震后通行功能的重要指标,但其难以测量。为了快速定量地评估桥梁结构的震后通行能力,对评估梁式桥梁结构震后竖向承载力的最优工程需求参数(EDP)进行了系统地研究。首先选取与墩柱残余侧移和损伤相关的5个EDPs,通过对考虑了材料不确定性的RC桥墩进行Pushover分析和动力时程分析得到5个EDPs,进一步对震后的桥墩进行Pushdown分析获取震后竖向承载力。然后采用回归模型对所选EDPs与震后竖向承载力损失比的关系曲线进行回归分析,选取竖向承载力损失比关系曲线的最优回归模型为在ln(x)-y坐标系中的正态累积函数模型,进一步通过最优EDP评价准则对评估竖向承载力损失比的5个EDPs进行评价分析。评价结果表明:当考虑震后可计算性时,峰值侧移率最优;当考虑震后可测性时,残余侧移率最优;当考虑余震时,改进的Park-Ang指标最优。通过选取的最优EDP可以建立桥梁结构功能指标与抗震性能指标之间的联系,为进一步发展和完善桥梁结构的抗震韧性评估和设计提供参考。

关键词：桥墩震后通行能力竖向承载力损失最优EDP 残余侧移率损伤程度

基于位移放大型变刚度自复位阻尼器的滞回性能研究

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建筑结构学报 2024年第8期45卷 180-191页

作者：董慧慧杨智乐杜修力韩强北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室北京100124

为解决传统阻尼器屈服后刚度和强度不足的问题,基于分阶段抗震设计理念,研发一种基于位移放大型变刚度自复位阻尼器(self-centering dampers based on variable stiffness and displacement amplification,SDVD),能够兼顾结构在不同变... 详细信息

为解决传统阻尼器屈服后刚度和强度不足的问题,基于分阶段抗震设计理念,研发一种基于位移放大型变刚度自复位阻尼器(self-centering dampers based on variable stiffness and displacement amplification,SDVD),能够兼顾结构在不同变形阶段的刚度和承载力需求。该阻尼器主要由子模块初始刚度模块(initial stiffness module,ISM)和变刚度模块(variable stiffness module,VSM)组成,基于阻尼器的构造,分析其子模块及整个阻尼器的工作机理;以ISM和VSM的长度和宽度为参数,设计并制作模块ISM和VSM及SDVD整体的模型试件,通过拟静力试验研究子模块及整个阻尼器的滞回性能;通过有限元模型(finite element model,FEM)研究阻尼器滞回性能的参数影响规律。研究结果表明:该阻尼器表现出拉压对称的旗帜形滞回特性,同时具有位移放大效应和变刚度特性;通过对比分析,由有限元分析得到的阻尼器滞回曲线与拟静力试验结果吻合较好;SDVD的初始刚度和强度主要由ISM提供,并且随着ISM丝束长度的减小而增加;SDVD的屈服后刚度和承载力主要由VSM提供,且随着VSM挡杆宽度的减小而增加。

关键词：自复位阻尼器分阶段抗震拟静力试验位移放大效应变刚度特性滞回性能

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桥梁船撞研究进展综述:事故、分析与防护

中国公路学报 2024年第5期37卷 38-66页

作者：樊伟钟正午王君杰夏烨吴昊吴青霖刘斌桥梁工程安全与韧性全国重点实验室(湖南大学) 湖南长沙410082 湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室湖南长沙410082 同济大学土木工程学院上海200092

近年来,桥梁船撞事故频发,船撞已成为桥梁失效的主要原因之一。为推动桥梁防撞设计方法的发展与桥梁防撞技术的进步,对近20年的桥梁船撞研究展开综述,评述重点涵盖风险评估、响应分析与防护措施3个方面。首先,从实际的桥梁抗撞需求出发... 详细信息

近年来,桥梁船撞事故频发,船撞已成为桥梁失效的主要原因之一。为推动桥梁防撞设计方法的发展与桥梁防撞技术的进步,对近20年的桥梁船撞研究展开综述,评述重点涵盖风险评估、响应分析与防护措施3个方面。首先,从实际的桥梁抗撞需求出发,搜集了中国2012~2022年桥梁船撞事故,总结出近年桥梁船撞事故所呈现出的4个新特征,弥补了这一时段中国船撞事故信息的缺失。然后,从研究方法的角度切入,介绍了桥梁船撞风险评估方法与响应计算方法,总结了试验法、接触有限元分析法、等效静力法和等效动力法这4种碰撞响应计算方法的发展动机、特点、应用场景及局限性。防护措施方面,着重梳理了浮式拦截系统与自浮式防撞装置这2种被动防撞措施的发展历程与构造特点,以及主动预警防护措施研究中所涉及的算法实现与更迭。最后,指出了当前桥梁船撞研究在考虑全要素分析、多灾害耦合、规范化设计等方面所面临的诸多挑战,并对桥梁船撞研究未来发展的主要方向做出展望。

关键词：桥梁工程桥梁船撞综述风险评估分析方法防撞措施

混凝土帽盖模型参数标定及桥梁冲击损伤模拟应用

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中国公路学报 2024年第5期37卷 151-174页

作者：宋彦臣刘学鹏王君杰韩强北京工业大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室北京100124 同济大学桥梁工程系上海200092

冲击荷载作用下混凝土响应与应力状态、应变率密切相关,数值分析存在本构模型理论复杂、参数繁多,工程应用困难等问题。基于弹塑性损伤帽盖模型,针对拉伸、压缩、剪切应力状态下混凝土的损伤特征,阐明了损伤参数取值与单元尺寸的依赖关... 详细信息

冲击荷载作用下混凝土响应与应力状态、应变率密切相关,数值分析存在本构模型理论复杂、参数繁多,工程应用困难等问题。基于弹塑性损伤帽盖模型,针对拉伸、压缩、剪切应力状态下混凝土的损伤特征,阐明了损伤参数取值与单元尺寸的依赖关系,提出了混凝土本构模型损伤参数及率效应参数的确定方法。然后,针对冲击作用下RC构件的弯曲与剪切损伤破坏行为,基于构件冲击试验分别从损伤参数的单元尺寸依赖性、剪胀损伤模拟必要性2个方面对混凝土弹塑性损伤帽盖模型参数取值的可靠性进行了验证,并对2种常用弹塑性损伤帽盖模型进行了对比。最后,基于某大桥船撞损伤破坏事故案例,进一步对大桥的船撞破坏过程进行了模拟验证。结果表明:采用所提出损伤参数标定方法可以很好地描述冲击作用下混凝土构件及结构在不同受力状态下的损伤演化过程及动态响应,解决了弹塑性损伤帽盖模型参数过多、取值困难而不便应用问题,可为混凝土桥梁结构冲击数值分析提供参考。

关键词：桥梁工程混凝土桥梁弹塑性损伤帽盖模型参数标定低速冲击仿真验证

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铁路悬索桥车致纵向运动混合阻尼减振研究

湖南大学学报（自然科学版） 2024年第7期51卷 10-20页

作者：封周权范周健井昊坤张弘毅陈政清万田保风工程与桥梁工程湖南省重点实验室(湖南大学) 湖南长沙410082 桥梁工程安全与韧性全国重点实验室(湖南大学) 湖南长沙410082 中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北武汉430056

针对铁路悬索桥在列车过桥时梁端纵向运动响应控制问题,提出了一种创新的混合阻尼减振方案,采用多种类型的阻尼器控制梁端位移,以满足不同的减振需求.以某在建大跨铁路悬索桥为工程背景,建立了空间桁架精细模型和等效单梁简化模型,系统... 详细信息

针对铁路悬索桥在列车过桥时梁端纵向运动响应控制问题,提出了一种创新的混合阻尼减振方案,采用多种类型的阻尼器控制梁端位移,以满足不同的减振需求.以某在建大跨铁路悬索桥为工程背景,建立了空间桁架精细模型和等效单梁简化模型,系统研究了混合阻尼减振方案不同阻尼器参数对减振效果的影响.该方案将低指数黏滞阻尼器纵向安装于桥塔与加劲梁之间,同时在桥台与加劲梁之间纵向安装电涡流阻尼器.鉴于桥台结构的特殊性,电涡流阻尼器被设计为仅能承受压力的装置,并通过样机试验进行了验证.为了进一步提升减振性能,电涡流阻尼器还配备了摩擦耗能元件.该混合阻尼减振方案能够有效控制列车过桥时梁端的纵向运动响应,显著提高桥梁结构的安全性和耐久性,在类似工程中具有重要的参考价值和借鉴意义.

关键词：铁路悬索桥梁端纵向运动控制混合阻尼减振低指数黏滞阻尼器电涡流阻尼器

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基于塔内位移观测器和均衡空间低维控制器的高塔结构振动主动控制系统

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振动工程学报 2024年第7期37卷 1126-1138页

作者：文茜茜张弘毅陈政清华旭刚牛华伟徐赵东湖南大学桥梁工程安全与韧性全国重点实验室湖南长沙410082 东南大学土木工程学院江苏南京211189

高塔结构振动适合也需要主动控制技术,但需要满足位移直接观测和单点控制下的低维高效控制。本文应用现代摄像观测技术,建立了一套从塔内实时连续观测振动位移的方法,为高塔结构振动主动控制提供了最直接的位移观测器,避免了以往只能建... 详细信息

高塔结构振动适合也需要主动控制技术,但需要满足位移直接观测和单点控制下的低维高效控制。本文应用现代摄像观测技术,建立了一套从塔内实时连续观测振动位移的方法,为高塔结构振动主动控制提供了最直接的位移观测器,避免了以往只能建立加速度观测器,经滤波后再与假定的外荷载结合计算输出位移的冗长过程。基于均衡系统空间变换和平衡截断法,对顶端设置主动质量块的高塔结构进行降维,可以有效保留结构的主要动力特性。以某施工状态的700 m高塔为例,进行了风振和地震的主动控制仿真分析。结果表明:以少数位移状态作为反馈信号的降维控制器的控制效果和基于全状态反馈的全维控制器基本一致,可以作为高塔结构振动的主动控制策略。

关键词：主动控制位移观测器均衡空间摄像测量低维控制器

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