李小珍 辛莉峰 王銘 傅沛瑤 王黨雄 晉智斌 朱艷

摘 要：車輛運行于橋梁上，車輛與橋梁之間相互作用、相互影響，稱為車橋耦合振動。車橋耦合振動理論為橋梁設計、線路運營、維護及管理提供了理論基礎、分析方法和評估手段，具有重要的工程應用價值。自20世紀起，眾多學者已經(jīng)開展了大量卓有成效的研究工作。近年來，中國交通運輸行業(yè)飛速發(fā)展，稠密的交通網(wǎng)、緊張的運能、復雜的線路條件等因素對傳統(tǒng)的車橋耦合振動理論提出了新的挑戰(zhàn)，也催生了相關先進理論技術的發(fā)展。為了促進該領域后續(xù)更加全面深入的基礎研究，對軌道不平順作用下的車橋耦合振動、軌道不平順作用下的車橋耦合隨機振動、風車橋耦合振動、地震車橋耦合振動、磁浮交通車輛軌道梁耦合振動等5個方面在2019年的研究進展進行了總結，并對研究熱點和展望進行了梳理。

關鍵詞：車橋耦合振動;車橋耦合隨機振動;風車橋耦合振動;地震車橋耦合振動;磁浮交通車輛軌道梁耦合振動

中圖分類號：U441.3 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2020）05-0126-13

收稿日期：2020-04-23

基金項目：國家自然科學基金（51878565、U1434205）

作者簡介：李小珍（1970- ），男，教授，博士生導師，主要從事車-橋耦合動力學研究，E-mail： xzhli@swjtu.cn。

朱艷（通信作者），女，博士，E-mail： zhuyan@swjtu.cn。

Received：2020-04-23

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 51878565， U1434205）

Author brief：Li Xiaozhen（1970- ）， professor， doctorial supervisor， main research interest： vehicle-bridge interactions， E-mail： xzhli@swjtu.cn.

Zhu Yan （corresponding author）， PhD， E-mail： zhuyan@swjtu.cn.

Abstract： When a vehicle runs on a bridge， the vehicle and the bridge will be mutually influenced in the dynamic behavior， which is called vehicle-bridge interactions. The vehicle-bridge coupled vibration theory can provide the theoretical basis， analysis method and assessment technique for bridge design， line operation， maintenance and management， and it is of important engineering application value. Many scholars have carried out a lot of relevant researches since the 20th century. At present， Chinas transportation industry has developed rapidly. Conventional vehicle-bridge interaction dynamics are challenged by the dense transportation network， tight transportation capacity， complicated line conditions， etc. Thus， the related theory and technique are being and further developed. This paper summarizes the progress and advances of the vehicle-bridge interaction field in 2019， including the vehicle-bridge interaction model under track irregularity， vehicle-bridge random vibrations under track irregularity， wind-vehicle-bridge coupled vibrations， earthquake-vehicle-bridge coupled vibrations， and maglev vehicle-bridge coupled vibrations. Furthermore， the research hotspots and prospects are provided. The work is expected to promote more comprehensive and in-depth basis researches.

Keywords：vehicle-bridge interactions; vehicle-bridge random dynamics; wind-vehicle-bridge interactions; earthquake-vehicle-bridge interactions; maglev vehicle-bridge interactions.

近年來，中國鐵路、公路、軌道交通領域橋梁建設事業(yè)蓬勃發(fā)展，成就舉世矚目。在眾多的橋梁系統(tǒng)工程力學問題中，車橋耦合動力學問題是一個歷久彌新的研究課題，涉及車輛動力學、軌道動力學、結構動力學、輪軌接觸力學以及數(shù)值分析等多個研究方向，屬于多學科交叉的復雜問題，其研究的核心目標通常為如何準確地預測在實際復雜運營條件下車橋耦合系統(tǒng)的動力響應，進而優(yōu)化結構設計及建造，并對鐵路、公路系統(tǒng)養(yǎng)護及維修做出指導。因此，開展車橋動力相互作用研究極其重要，一直是交通運輸領域的研究熱點之一，尤其是20世紀八九十年代以來，中國學者已經(jīng)開展了大量卓有成效的研究工作。當前，中國鐵路、公路、軌道交通領域的橋梁建設面臨高速度、大運載量、高舒適度等新的挑戰(zhàn)，車橋耦合振動研究在新形勢下催生出新的研究熱點和發(fā)展趨勢。

為了推動車橋耦合領域更加全面、深入的基礎研究，促進該課題在實際工程中的推廣及應用，更進一步地對規(guī)模龐大的橋梁工程進行科學經(jīng)濟地維護和管理，筆者總結了2019年度軌道不平順下的車橋耦合振動、車橋耦合隨機振動、風車橋耦合振動、地震車橋耦合振動、磁浮交通車輛軌道梁耦合振動等5個方面的研究進展，并對研究熱點進行了展望。

1 軌道不平順作用下的車橋耦合振動研究

以軌道不平順作為主要激勵源的車橋耦合分析模型是整個復雜外界環(huán)境激勵下車橋耦合振動理論的前提及基礎?？v觀其漫長的發(fā)展史[1-2]，車輛模型、軌道模型、橋梁模型、輪軌接觸關系等各部分的建模方法與理論已逐步趨于完備且一致：車輛結構多基于多剛體動力學建模，軌道及橋梁結構采用有限元方法建模，輪軌接觸主要以輪軌密貼剛性接觸理論和Hertz彈性接觸理論及Kalker蠕滑理論作為代表，數(shù)值積分方法以Newmark-β方法、Zhai方法、Runge-Kutta方法、Houbolt方法等為主。這些理論在保證計算效率的同時較為準確地預測了系統(tǒng)中、低頻的動力響應。近年來，面向不同的工程實際需求，車橋耦合振動理論在精細化、精簡化、實用化、理論解析、反問題、智能化、可視化等方面繼續(xù)拓展及深入。

1.1 精細化模型

常規(guī)車橋耦合模型有時不能精準地反映工程中子構件的局部動力行為或機理，因此，根據(jù)所要揭示的特殊問題，需將車橋耦合動力分析模型精細化，如：Xue[3]建立了車輪-軌道軌下基礎系統(tǒng)中的輪軌滾動接觸模型（圖1），模擬了車輪從靜止加速到以預期速度向前滾動的過程，分析了滾動輪軌接觸在期望速度下的動力特性;張經(jīng)緯等[4]基于經(jīng)典半空間10自由度車橋耦合動力模型，運用集中質(zhì)量法引用動態(tài)單元法，建立了考慮輪軌接觸損失的半空間13自由度人車線耦合動力模型，厘清了輪軌接觸損失條件下列車乘員舒適性的差異;Gou等[5]理論推導了軌道位移和橋梁位移之間的映射關系，以此為基礎，研究了橋墩沉降對車橋耦合系統(tǒng)動力響應的影響，并提出了不同車速下的橋墩沉降設計安全閾值，對實際橋梁工程建設具有較大的指導意義;昌超等[6]應用多體動力學軟件UM、有限元軟件ANSYS、前處理軟件HYPERMESH，將軌道、橋梁系統(tǒng)考慮為柔性體，輪軌接觸設定為輪軌非橢圓多點接觸，建立三維車線橋耦合動力學精細模型，重點研究了車輪型面磨耗對高速鐵路無砟軌道、橋梁振動特性的影響。此外，孫宇[7]在車軌耦合動力學中提出了一種新的輪軌非赫茲接觸算法MKP法，方法具有很好的計算精度、計算穩(wěn)定性和計算效率，適合于實時的輪軌動力相互作用計算，對于車橋耦合系統(tǒng)輪軌接觸的模擬同樣具有指導意義。

1.2 簡化模型及高效算法研究

車橋耦合模型具有時間、空間雙重非線性特征，計算負荷大、時間久，不利于與實際工程迅速對接。模型中妨礙計算效率的主要因素：以Hertz理論為主導的輪軌接觸理論所導致的時間積分步長過小、龐大自由度的軌道系統(tǒng)、分離式建模引發(fā)的迭代問題等。因此，Xu等[8]基于車輛軌道耦合動力學理論和能量變分法，以剛性接觸方式考慮輪軌脫離或者未脫離時的輪軌位移和力素協(xié)調(diào)條件，以矩陣耦合形式建立列車軌道橋梁系統(tǒng)動力學時變統(tǒng)一方程。黃博等[9]基于車橋系統(tǒng)內(nèi)在機理和等效粘滯阻尼的思想，提出在移動集中力模型中加入附加阻尼即可用于評估車橋耦合模型下橋梁的動力響應。Zhu等[10]提出了車橋耦合模型的異步長多軟件聯(lián)合仿真方法，車軌系統(tǒng)采用了顯式積分法，并應用了移動軌道技術來進一步提升模型的計算效率。Jin等[11]應用Ritz法處理鋼軌方程，減少了鋼軌自由度達80%。Jin等[12]提出了一種統(tǒng)計線性化方法處理車軌橋模型里最為復雜的輪軌關系，極大地提高了計算效率。Zeng等[13]采用拉氏乘子法處理輪軌關系，以提高輪軌接觸關系的計算效率。Zhu等[14]在虛擬激勵法中引入自適應積分選點，提高了車橋隨機分析的效率。Li等[15]聯(lián)合Ansys和Simpack軟件，通過輪軌位移協(xié)調(diào)條件和相互作用力平衡條件聯(lián)系車輛和橋梁子系統(tǒng)，使模型利于工程實際的對接。整體而言，車橋耦合簡化模型或者高效算法仍會落足于軌道簡化、輪軌接觸簡化、高效積分算法、統(tǒng)一化建模等方面。

1.3 相互作用的解析理論

不同于數(shù)值方法，車橋耦合相互作用理論的解析解可以直觀地觀測每個因素所起的影響及作用，如最為典型的車致橋梁共振理論。近年來，研究者從不同角度給出了橋梁附加阻尼公式[16]，包括頻響等效、耗能等效，來考慮車輛對橋梁的減振作用。UIC規(guī)程給出了折減系數(shù)擬合曲線用于軌道對橋梁的減振作用。Jin等[17]推導出了軌道對橋梁減振系數(shù)的解析公式，將軌下荷載分布函數(shù)作傅氏變換，取橋梁頻率與車速比值處的值。關于車輛通過梁端轉(zhuǎn)角時的輪重減載率，Jin等[11]也提供了相應的解析公式。由于理論解析解需要大量的公式推導，發(fā)展速度較為緩慢，主要作用在于識別關鍵參數(shù)或提供更為簡單的數(shù)值曲線用于數(shù)值分析使用。

1.4 系統(tǒng)反問題相關理論研究

車橋耦合系統(tǒng)反問題，涉及荷載識別和系統(tǒng)參數(shù)辨識，通過測試車橋系統(tǒng)動力響應，建立相關理論與模型來反推系統(tǒng)本身物理參數(shù)。近期主要進展包括：Deng等[18]采用等效剪力法根據(jù)測試的橋梁響應來識別車輛荷載;Tan等[19]用車輛響應測試量反演橋梁頻率及模態(tài);Yang等[20]根據(jù)實測車輛響應對橋梁模態(tài)和橋梁損傷進行識別。Ticona Melo等[21]利用遺傳算法從非常有限的橋梁實測數(shù)據(jù)中提取了模態(tài)參數(shù)，研究了考慮車輛軌道結構相互作用的鋼混凝土組合鐵路橋梁數(shù)值模型的標定與驗證。車橋耦合系統(tǒng)反問題的研究成果對橋上車輛運營管理、橋梁損傷識別、橋梁養(yǎng)護維修等具有重要的指導意義，在未來幾年內(nèi)，該領域?qū)⒃诮Y合信號處理技術和模態(tài)分析理論的基礎之上，進一步提高識別能力，并應用如全局敏感度分析理論的隨機分析方法識別敏感參數(shù)，提高反問題識別過程中的效率性及精確度。

1.5 面向橋梁運營管理的數(shù)字化分析系統(tǒng)

目前，車橋耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬多數(shù)側(cè)重于橋梁設計階段，針對成橋階段橋梁在風荷載、隨機車流、溫度等運營荷載作用下的動力仿真較少，謝青等[22]、Yuan等[23]研發(fā)了橋梁動力分析軟件BDANS，軟件具有“從平面到空間，從靜力到動力，從確定到隨機”的顯著特點，推進了車橋耦合動力仿真軟件在三維可視化、智能化、數(shù)字化等方面的進步，對形成橋梁智能養(yǎng)護維修關鍵技術體系與現(xiàn)代化管養(yǎng)策略有重要指導意義，仍需進一步研究。

2 軌道不平順作用下的車橋耦合隨機振動研究

受自然環(huán)境等多種不確定因素的影響，車橋耦合系統(tǒng)本身結構參數(shù)、外部激勵等均具有明顯隨機性特征。僅僅考慮物理力學參數(shù)不變的設計值及確定性外荷載的動力分析結果，是車橋耦合時空間隨機場的一次體現(xiàn)，不能準確反映車橋耦合系統(tǒng)真實動力學狀態(tài)。鑒于此，從隨機角度來揭示車橋耦合隨機系統(tǒng)的內(nèi)在機理及規(guī)律，是近年來研究熱點，且取得了較為豐碩的成果。

2.1 車橋耦合系統(tǒng)隨機振動理論和分析方法

精確、快速、適用于車橋耦合動力學系統(tǒng)的隨機數(shù)學方法是當前車橋耦合隨機動力學發(fā)展的集中突破點。Jiang等[24]采用了新點估計法研究了橋梁各種不確定因素作用下車橋耦合系統(tǒng)隨機響應，隨機因子主要包括橋梁材料參數(shù)、環(huán)境因素及預應力參數(shù)，證明了新點估計法較傳統(tǒng)蒙特卡洛方法可提高2～3個數(shù)量級的計算效率。Han等[25]提出了一種基于非線性自回歸的外源性輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的代理建模方法提高列車橋梁耦合隨機分析的效率，并論證了其方法中重要樣本的關鍵性。向活躍等[26]采用了子集分裂模擬方法對車橋耦合系統(tǒng)的極值響應進行了統(tǒng)計，得到了車輛極值響應的超越概率曲線，并與直接蒙特卡洛方法進行了對比驗證，證明其方法可大幅減少計算樣本。目前，針對車橋耦合隨機動力分析的數(shù)學方法仍然較少，是發(fā)展重點之一。

2.2 列車橋梁耦合系統(tǒng)響應的不確定度

量化由于激勵源、系統(tǒng)參數(shù)的空間非定常特征導致的車橋耦合動力響應的不確定是當前車橋耦合隨機分析領域的另一大重點[24-26]。Mao等[27]利用概率密度演化法探索了多種隨機激勵下重載鐵路中列車橋梁耦合系統(tǒng)的動力響應上下界問題，并基于朔黃重載鐵路32 m簡支梁橋現(xiàn)場試驗驗證了方法及所采用的輸入?yún)?shù)概率分布的合理性。Xin等[28]從隨機角度探討了鐵路列車導致的橋梁共振問題，定義及闡釋了“隨機共振”及“隨機消振”現(xiàn)象，結合Nataf變換理論分析了變量間的概率相關性對共振及消振車速概率分布特征的影響，并研究了“隨機共振”現(xiàn)象對車橋耦合系統(tǒng)隨機動力響應的影響規(guī)律。Xiao等[29]利用概率密度演化方法研究了軌道不平順激勵下車線橋耦合系統(tǒng)的隨機響應，得到了眾多有意義的結論。

2.3 列車橋梁耦合系統(tǒng)敏感因子識別

敏感度問題主要探究眾多的隨機因子中到底哪些對車橋耦合隨機響應影響較大，用于在實際工程設計及建設中做出指導、重點把控。Wan等[30]結合Sobol敏感度理論和高斯過程模型，分析了某二維車橋耦合模型的全局敏感度，通過與蒙特卡洛方法對比，驗證了方法的正確性;Xin等[31]采用概率密度演化方法探明了軌道隨機不平順和系統(tǒng)隨機參數(shù)導致的車橋耦合系統(tǒng)動力響應不確定性，并基于推廣的傅里葉幅度敏感度檢驗法，考慮輸入?yún)?shù)的實際概率分布，且允許所有參數(shù)同時變化，定量分析了各參數(shù)及參數(shù)之間的相互作用對隨機系統(tǒng)響應的影響，對各動力指標的關鍵影響因素進行了排序，如圖2所示。

2.4 列車橋梁耦合系統(tǒng)動力可靠度

結構動力可靠度是結構動力學重要分支，它研究結構承受隨機動載荷時不發(fā)生失效破壞的概率。李小珍等[32]發(fā)展了一種包含譜概率、幅值、波長、相位等信息的全概率軌道不平順模型，引入概率密度演化方法，量化了系統(tǒng)各動力指標的時變統(tǒng)計矩和可靠度，研究方法可用于大規(guī)模鐵路線路車橋耦合系統(tǒng)的動力可靠度評估。Jin等[33]采用析因試驗設計方法提取對重載列車彎橋耦合隨機系統(tǒng)中動力響應敏感的隨機參數(shù)，應用響應面法明確各敏感隨機參數(shù)對系統(tǒng)失效概率的影響，進而量化曲線地段軌道橋梁結構的可靠度。

3 風車橋耦合振動研究

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展、互聯(lián)互通需求的劇增，橋梁工程不斷從內(nèi)陸向近海延伸，逐漸復雜的風場環(huán)境使得大跨橋梁的行車安全性和平穩(wěn)性受到了更為嚴峻的考驗[34]。近年來，風車橋耦合振動的研究取得積極進展，從車橋系統(tǒng)氣動參數(shù)研究、擋風措施及機理研究、車橋系統(tǒng)行車抗風安全性評估和風浪/流車橋耦合振動研究等幾個方面進行回顧。

3.1 車橋系統(tǒng)風荷載

列車橋梁系統(tǒng)氣動參數(shù)測試及脈動風場模擬直接關系到風車橋耦合系統(tǒng)的輸入風荷載，同時，由于風荷載突變效應是風車橋系統(tǒng)的控制性因素之一，也是近來車橋系統(tǒng)風荷載研究的一個主要方面。

為提高針對大跨度橋梁非均勻脈動風場模擬的效率，李永樂等[35]提出了一種新穎的Cholesky分解法;王浩等[36]基于非負矩陣分解，對大跨度橋梁開展了非平穩(wěn)風場的模擬研究;靖洪淼等[37]采用數(shù)值模擬方法分析了山區(qū)峽谷橋址處的風場特性，實現(xiàn)了高質(zhì)量的山區(qū)風場數(shù)值模擬及解決了數(shù)值計算雷諾數(shù)與實際不符的難題;徐曼等[38]基于實測數(shù)據(jù)的風速譜采用諧波合成法模擬得到了滬通公鐵兩用長江大橋的三維脈動風速場。

針對高速列車駛經(jīng)復雜環(huán)境時所出現(xiàn)的風荷載突變效應，何佳駿等[39]采用數(shù)值模擬方法分析了橋隧過渡段列車氣動特性的變化，研究發(fā)現(xiàn)車頭位置會呈現(xiàn)出更為明顯的氣動特性突變;李小珍等[40]采用橋上移動列車測試系統(tǒng)測試了橋塔遮蔽效應對列車氣動特性的影響，如圖3所示，研究表明車輛氣動參數(shù)在橋塔區(qū)域會呈現(xiàn)出明顯的突變現(xiàn)象。

大跨橋梁結構整體趨于細長、輕柔，其靜風力作用和脈動風作用下的響應更為突出。劉昊蘇等[41]采用風洞試驗與計算流體力學相結合的方法，對常用公鐵兩用斜拉橋雙層桁架主梁靜三分力系數(shù)進行研究，分析了雷諾數(shù)的影響，并提出了高風攻角下識別三分力系數(shù)最低雷諾數(shù)的建議值;Ma等[42]和Li等[43]針對典型流線型箱梁斷面進行了二維及三維氣動導納系數(shù)的風洞試驗研究（圖4），并提出了氣動導納的識別方法。

3.2 擋風措施及機理研究

風屏障的正確布置及合理選型對改善橋上列車復雜行車風環(huán)境極為重要，風屏障的研究通常集中于選型、布置高度及透風率等方面。Xiang等[44]通過風洞試驗測試了不同高度風屏障的防風效果，同時橋上移動車輛測試裝置的采用可以更為真實地反映風屏障的防風性能;Ren等[45]和He等[46]則通過分析風屏障前后及列車周圍流場特性的發(fā)展來研究風屏障類型、透風率對風屏障的防風性能影響。

3.3 車橋系統(tǒng)行車抗風安全性評估

高速列車的行車安全性評估需通過風車橋耦合系統(tǒng)來綜合考慮橫風、列車、橋梁三者之間的相互影響。韓艷等[47]結合有限元軟件ANSYS和多體動力學軟件SIMPACK建立列車軌道橋梁三維多體系統(tǒng)模型，研究了非定常氣動力荷載對列車行駛安全的影響;He等[48]提出一種基于偽激勵法的非平穩(wěn)風載車橋耦合振動分析框架，進行了非平穩(wěn)風對車橋系統(tǒng)性能影響的研究;Guo等[49]研究了風屏障對風車橋耦合系統(tǒng)中車輛動力性能的優(yōu)化效果;李小珍等[50]開展了側(cè)風作用下五峰山長江大橋列車行車安全控制研究，通過數(shù)值模擬給出了五峰山長江大橋在各風速下保證行車安全的車速閾值。

3.4 風浪/流車橋耦合振動研究

海洋環(huán)境中的橋梁工程同時受強風、巨浪、急流等復雜荷載的作用，準確建立各類荷載模型對進行風浪/流車橋耦合振動研究起到至關重要的作用。劉高等[51]通過現(xiàn)場同步連續(xù)觀測獲得了風浪流耦合場觀測數(shù)據(jù)，并將其置于風車橋耦合系統(tǒng)，分析車輛在極端條件的行車安全性及穩(wěn)定性。李永樂等[52]建立了波浪風列車橋梁動力模型，將風場視為空間相關的平穩(wěn)高斯過程，并將波浪作為外部荷載施加到該耦合體系中，分析了波高、風速、車速對耦合模型車輛和橋梁響應的影響;魏凱等[53-54]先后采用疊加風場和TPXO潮汐模式共同驅(qū)動的SWAN+ADCIRC波流耦合模式模擬臺風期間近岸海域波浪風暴潮的生成與發(fā)展過程，運用ANN算法中常用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡對外海海洋預報臺提供的波高、風速數(shù)據(jù)以及在橋址區(qū)實測波高數(shù)據(jù)進行訓練，建立二者之間的映射關系及ANN推算模型。

4 地震車橋耦合振動研究

中國地處環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，地震斷裂帶數(shù)量多，地震頻發(fā)，多而密的高鐵路線不可避免地會穿越活躍地震斷裂帶，高速列車行車時遭遇地震的概率大幅提高，地震作用下橋上高速列車行車安全研究十分必要。目前，學者們對地震車橋耦合體系的研究主要集中在系統(tǒng)地震動激勵、地震車橋耦合振動模型、行車安全性評估以及振動臺試驗研究等方面。

4.1 系統(tǒng)地震動激勵

視震源機制、場地條件、傳播路徑等因素不同，地震動自身具有非常大的隨機性。以往地震車橋的相關研究中，以近場地震、遠場常規(guī)地震、非一致地震激勵、三維地震激勵等多種地震波作為系統(tǒng)激勵源，如Chen等[55]分別考慮近斷層脈沖、非脈沖和遠場地震動對車橋系統(tǒng)動力響應的影響，并指出脈沖地震波對列車的行車安全影響更大;沈毓婷[56]分別考慮具有方向性和滑沖效應的實測近斷層地震波以及人工合成的脈沖地震波，研究了近斷層地震波對無砟軌道結構和列車行車安全性的影響;研究仍在繼續(xù)深入，如喬宏等[57]基于粘彈性邊界理論建立考慮地形和地震波入射角影響的局部場地模型，獲取場地地震動時程，分析了山區(qū)地形和地震動斜入射角對車橋系統(tǒng)地震響應的影響。

4.2 地震車橋耦合振動精細化模型

地震車橋耦合振動模型是車橋耦合動力分析模型的進一步延伸[58]。國巍等[59]基于Simpack和OpenSees軟件開發(fā)了車軌橋系統(tǒng)聯(lián)合仿真程序，建立了強震下車軌橋系統(tǒng)精細化模型，考慮結構參數(shù)在強震作用下的非線性情況，分析了地震和軌道不平順激勵下列車的運行安全性;Zeng等[60]考慮輪軌兩點接觸、單點接觸和分離的情況，建立了模擬不同輪軌接觸狀態(tài)的地震車橋分析模型，并基于脫軌系數(shù)和輪重減載率評價了列車的行車安全;Borjigin等[61]提出了一種同時考慮車輛動荷載和地震作用的車橋耦合系統(tǒng)動力響應分析方法，研究了兩種荷載作用下系統(tǒng)的動力響應特點，指出了地震作用下忽略車輛荷載可能會低估結構的地震響應。

4.3 車橋系統(tǒng)行車抗震安全性評估

目前，地震作用下車橋系統(tǒng)的抗震安全性受到了學者的廣泛關注[62-63]，研究采用數(shù)值分析方法對高速列車地震安全性、平穩(wěn)性以及橋梁動力響應對行車安全的影響進行研究，如圖5所示[62]。Wei等[64]研究了地震動不確定特征周期對車橋系統(tǒng)地震響應和地震易損性的影響，結果表明，橋梁和軌道部件易損性隨地震動特征周期增加，采用恒定特征周期的地震動可能導致不安全的結果;雷虎軍等[65]采用自編程序TTBSAS研究了鋼筋混凝土拱橋的地震響應，給出了CRH3高速列車安全通過該橋時地震動的速度閾值。此外，地震作用下車橋耦合系統(tǒng)的預警研究開始興起，目前的相關研究主要集中在利用車橋模型進行振動臺試驗，探討傳統(tǒng)脫軌指標的局限性，提出采用輪軌水平相對位移、車輪抬升量和車體傾覆角等位移指標對地震作用下列車的地震預警閾值進行評價[66]。

4.4 地震車橋?qū)嶒炇夷Ｐ图霸囼炑芯?/p>

傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法對地震作用下車橋系統(tǒng)的安全性有了初步的認識和研究，提出了具體的行車安全評價指標，但其值偏于保守，應用于實際工程可能導致偏于不安全的結果。為確保車橋系統(tǒng)地震預警閾值的準確性和可靠性，相應的振動臺試驗應運而生。利用振動臺試驗，研究者可以精準捕捉地震作用下列車的脫軌行為，掌握脫軌機理，提出更加準確可靠和行之有效的地震預警閾值。目前，相關的試驗研究較少，主要集中在日本等少數(shù)國家，中國車橋系統(tǒng)的振動臺試驗研究尚處于起步階段，北京交通大學做了一些初步的嘗試和研究，如圖6所示。李昊等[67]通過準靜態(tài)全尺寸車輛軌道模型振動臺試驗發(fā)現(xiàn)，規(guī)范所給輪重減載率和脫軌系數(shù)限值偏于保守，且列車實際脫軌行為與傳統(tǒng)數(shù)值研究有異，并給出了基于實驗的高速列車地震預警閾值。

5 磁浮交通車輛軌道梁耦合振動研究

隨著磁浮交通的發(fā)展，磁浮車輛軌道梁耦合振動問題也成為了當前的研究熱點之一。磁浮列車通過摒棄傳統(tǒng)的輪軌接觸，利用電磁懸浮力將車體懸浮在額定懸浮間隙附近（圖7所示），從而具有爬坡能力大、轉(zhuǎn)彎半徑小、低振動、低噪聲、污染小等優(yōu)點，日益受到人們的青睞。這一新型接觸方式的使用，使得磁浮車橋耦合振動的問題更加突出，諸多試驗線路或運營線路均由于強烈的磁浮車橋耦合振動而導致磁浮列車無法平穩(wěn)運行，韓國的仁川機場中低速磁浮線路由于強烈的車橋耦合振動導致計劃運營時間一拖再拖。因此，磁浮交通車橋耦合振動研究十分必要。近期研究進展主要集中在新型磁浮列車研發(fā)、主動懸浮控制系統(tǒng)改進和磁浮車橋耦合振動理論和方法。

6 研究熱點與展望

中國鐵路、公路、軌道交通橋梁工程建設取得了巨大成就，但橋梁工程也將面臨嚴峻的新形勢，如中西部極端惡劣氣候條件下的橋梁建設;大跨度跨河、跨海橋梁的設計;大規(guī)模的既有橋梁將步入長時效安全管理與維護階段;自然災害條件下橋梁的運營預警等。因此，未來10～20年，橋梁車致振動研究將面臨創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型、升級的重要戰(zhàn)略機遇期，研究應注重支撐性、前瞻性、系統(tǒng)性和交叉性，從頂層設計視角致力于全面解決這些建設及運維過程中的核心關鍵難題。以下幾個方面的研究是下一階段的研究熱點：

1） 既有以軌道不平順作為激勵源的車橋耦合振動理論與模型已經(jīng)較為完善，能在保證計算效率的同時較為準確地預測了系統(tǒng)中低頻的動力響應。展望未來，車橋耦合模型仍會在精細化、實用化、理論解析、反問題、智能化、可視化等當前研究熱點下繼續(xù)向數(shù)字化發(fā)展，實現(xiàn)基礎設施運行感知立體化智能化、評估預警維養(yǎng)系統(tǒng)化、運維業(yè)務數(shù)據(jù)標準化等基礎理論的創(chuàng)新和關鍵技術的突破。

2） 車橋耦合隨機動力學理論研究尚不充分，近期熱點在于提高隨機分析計算效率的數(shù)學方法、響應的不確定度量化、敏感因子識別、動力可靠度等方面。為實現(xiàn)基于可靠度的車橋耦合設計理念，車橋耦合隨機分析不僅應當繼續(xù)在當前熱點上繼續(xù)深入研究，還應進一步就耦合系統(tǒng)長時效演化規(guī)律、復雜激勵下耦合系統(tǒng)的隨機動力內(nèi)在機理探索、車橋耦合隨機動力學的實際應用問題等方面縱向展開。

3） 風車橋耦合振動近期研究熱點主要在于：開發(fā)高車速、小偏角、大攻角等條件下橋上移動車輛模型風洞試驗技術;基于可靠度分析理論，建立考慮系統(tǒng)隨機性和激勵隨機性的風車橋系統(tǒng)可靠度分析方法;風浪聯(lián)合作用下大跨度橋梁車橋耦合振動。目前，研究多數(shù)僅為在數(shù)值模擬，可進一步開展結構風、浪、流的耦合作用模型試驗，為數(shù)值結果及工程實際提供參照。

4） 地震車橋相關研究主要圍繞車輛及橋梁的動力響應分析和高速列車的行車安全性評估展開，由于核心試驗的缺失，理論尚未得到可靠的驗證。預期在未來數(shù)年內(nèi)，地震列車橋梁耦合振動理論將圍繞地震車橋耦合振動模型的進一步開發(fā)及相應的振動臺試驗驗證、從地震預警閾值的角度對地震列車橋梁耦合系統(tǒng)行車安全評價指標進行豐富和完善、基于概率的行車安全可靠度等課題展開。

5） 厘清真實的磁浮交通車軌橋耦合振動機理是磁浮交通進一步發(fā)展的瓶頸。面向未來新一代時速600 km甚至更高速度的高速磁浮交通，建立基于智能主動反饋控制磁軌關系的磁浮交通車軌橋系統(tǒng)精細化模型，研究制定高速磁浮交通設計標準，對磁浮交通工程動力安全性及工程經(jīng)濟性具有重要意義。同時，針對云軌、智軌、空鐵等新型軌道交通制式，開展相應車橋耦合振動研究，具有同樣重要的理論意義和工程價值。參考文獻：

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（編輯 胡玲）