强风作用下桥上行车安全保障关键技术及应用-东南大学

1、强风作用下桥上行车安全保障关键技术及应用提名单位 ：詹天佑科学技术发展基金会提名奖种 ：国家科学技术进步奖提名意见 ：强风是引发车辆运行安全事故的主要气象灾害之一。由于桥梁结构柔、离地高度大，车辆与桥 梁之间动力相互作用显著，强风作用下车桥系统气动干扰效应复杂，桥上车辆的行驶安全问题较地 面更为突出。因强风导致车辆限速、限行甚至行车安全事故在世界范围内时有发生，轻则路网中断， 重则车毁人亡，社会影响极大。该项目结合国家高铁和公路网络及城轨交通快速发展的重大需求， 对强风作用下桥上行车安全气动保障关键技术及应用开展深入系统的研究， 研发了静止 / 移动车 -桥系 统气动耦合特性识别关键技术， 首

2、次建立了桥上典型车辆气动力模型； 率先考虑了风的非平稳特性、 气动力耦合、抖振力空间相关性、驾驶员行为和多参数随机性等影响，发展了公路、铁路、轻轨及 公铁两用桥梁的风 -车-桥系统耦合振动分析理论；建立列车外形、风屏障高度/形状 /位置等设计参数优化匹配准则，提出考虑风屏障、车辆和桥梁等多目标的协同抗风设计方法。该项目获国家发明专 利 18项，实用新型专利 21项，软件著作权 12项；发表学术论文 111篇，获湖南省科技进步一等奖 1项。对照国家科学技术进步奖授奖条件，提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。项目简介 : 强风是引发车辆运行安全事故的主要气象灾害之一。相比平地路基，桥梁结构柔、离

3、地高度大， 车辆与桥梁之间动力相互作用显著，强风作用下车桥系统气动干扰效应复杂，桥上车辆的行驶安全 问题较地面更为突出。因强风导致车辆限速、限行甚至行车安全事故在世界范围内时有发生，轻则 路网中断，重则车毁人亡，社会影响极大。项目组经过近20年的理论和技术创新，在公路和轨道交通移动车 -桥风洞试验新技术、风车桥耦合振动理论分析新方法、车桥系统气动防风新装置及工程应 用取得了突破性成果。授权发明专利18项、实用新型专利 21项、软件著作权 12项，发表论文 111篇，出版专著 /教材 2部，被评价为“达到国际领先水平” 、“突破性进展” ，主要研究成果纳入高速铁路 设计规范，获湖南省科技进步一等

4、奖 1项。主要成果已应用于 40余座受强风影响的东南沿海及西部 山区铁路、公路及城轨重大桥梁，有力保障了强风作用下车-桥系统的运营安全，社会和经济效益显著。客观评价 :本项目利用联合攻关与集成创新等手段， 研发了静止 /移动车辆 -桥梁系统气动耦合特性识别新技 术，建立了强风作用下公路和轨道交通车-桥系统耦合振动精细化分析方法，形成了强风作用下桥上行车安全的综合保障技术，成功解决了强风下桥上行车安全和运营实践中的一系列难题，项目整体 技术达到国际领先水平。1、科技鉴定与评价意见研究成果总体上达到国际先进水平， 其中移动车中国铁道学会组织的科学技术成果评价认为：-桥风洞实验系统和百叶窗新型风屏障

5、结构居国际领先水平”。2、科技查新教育部科技查新工作站（ Z11 ）查新报告表明， “新技术的创新性与先进性在国内外专利及文献 中均未见报道” 。3、科技奖励（ 1） 2017 年度湖南省科技进步一等奖推广应用情况该项目研究自 2002 年开始，秉着“边研究、边出成果、边应用”的原则，部分研究成果早在 2004 年便已开始推广应用。截至 2015 年底，项目技术成果已在武广高铁天兴洲长江大桥、京沪高 速铁路大胜关长江大桥、重庆菜园坝长江大桥、武汉沌口长江大桥等 40 余座大跨度桥梁得到应用， 保证了桥上车辆运行的安全性与舒适性，取得了显著的社会、环保与经济效益，表明项目技术成果 具有广阔的推广

6、应用前景。主要知识产权证明目录知识产权 （标准） 类 别知识产权 （标 准）具体名称家地） 国（区授权号 （标准编 号）授权（标 准发布） 日期证书编号 （标准批准 发布部门）权利人（标 准起草单 位）发明人（标准起草人）发明专 利（标 准）有效 状态发明专利一种 U形风洞中国ZL20122015 年第 1614144中南大学；何旭辉 , 余有效试验列车加105055193月 25号高速铁路志武 , 李玲速系统.6日建造技术瑶, 王汉封 ,国家工程黄志辉 , 冉实验室瑞飞 , 赖慧蕊发明专利一种移动列中国ZL2013102016 年第 1929901中南大学；何 旭 辉, 刘有效车无线动力04

7、3484.31月 20号高速铁路应龙，余志测试系统日建造技术武，冉瑞飞，国家工程杜风宇，叶实验室剑发明专利用于高速铁中国ZL 20142016 年第 2103047中南大学；何旭辉，有效路桥梁的组1025351606 月 08号高速铁路叶剑，邹云合式风屏障.7日建造技术峰，王汉封，国家工程史康，周佳实验室发明专利用于车行桥中国ZL2016102018 年第 2959929中南大学；何旭辉，柏有效梁的自适应216792.506 月 15号中国铁路宇，邹云峰，风屏障日总公司；高方东旭，代速铁路建雪炜，李欢，造技术国王汉封家工程实验室发明专利耗能挡风墙中国ZL20152018 年第 2843181中

8、南大学；何旭辉 , 邹有效1015451703 月 13号高速铁路云峰 , 叶祎.0日建造技术国家工程实验室发明专利移动车辆气中国ZL2012102015 年第 1631614长沙理工韩艳，蔡春有效动力测试装527545.904 月 15号大学声，张建仁，置日罗昆，李春 光，殷新锋， 王武生，陈 政清，李传 习，胡揭玄发明专利用于组合节中国ZL2015102017 年第 2563469中南大学；邹云峰，何有效段模型气动011660.407 月 25号高速铁路旭辉，李力同步分离日建造技术欢，贺 俊，主要完成人情况1. 何旭辉，排名 1 行政职务：副院长 技术职称：教授 工作单位：中南大学 完成单

9、位：中南大学 对本项目技术创造性贡献：对创新点2. 韩艳，排名 2 行政职务：副院长 技术职称：教授 工作单位：长沙理工大学 完成单位：长沙理工大学 对本项目技术创造性贡献：对创新点3. 邹云峰，排名 3行政职务：技术职称：讲师 工作单位：中南大学 完成单位：中南大学 对本项目技术创造性贡献：对创新点4. 郭文华，排名 4行政职务：1、 2、 3 做出创造性贡献。1、 2、 3 做出创造性贡献。1、 2、 3 做出创造性贡献。的模拟装置国家工程实验室周佳发明专利一种区间风 谱模型的建 立方法中国ZL201210172732.X2014 年 09 月 10 日第 1479388 号东南大学王浩

10、,程怀 宇，郭彤， 吴明明，王 龙花有效软件著作 权高速铁路桥 梁- 列车 - 风 耦合系统动 力分析软件中国2012SR0159102011 年 05 月 30 日软著登字第0383946 号郭文华；刘 海涛；陈代 海；司学通有效软件著作 权非平稳激励 下车桥耦合 随机振动分 析中国2018SR3063972017 年 08 月 01 日软著登字第2635492 号中南大学；中国铁路 总公司有效技术职称：教授 工作单位：中南大学 完成单位：中南大学 对本项目技术创造性贡献：对创新点 2 做出创造性贡献。5. 王浩，排名 5 行政职务： 技术职称：教授 工作单位：东南大学 完成单位：东南大学

11、对本项目技术创造性贡献：对创新点 1 做出创造性贡献。6. 苏伟 ，排名 6 行政职务：总工程师 技术职称：教授级高工 工作单位：中国铁路设计集团有限公司 完成单位：中国铁路设计集团有限公司 对本项目技术创造性贡献：对创新点 3 做出创造性贡献。7. 李龙安，排名 7 行政职务：副院长 技术职称：教授级高工 工作单位：中铁大桥勘测设计院集团有限公司 完成单位：中铁大桥勘测设计院集团有限公司 对本项目技术创造性贡献：对创新点 3 做出创造性贡献。8. 敬海泉，排名 8 行政职务： 技术职称：讲师 工作单位：中南大学 完成单位：中南大学 对本项目技术创造性贡献：对创新点 3 做出重要贡献。9. 文

12、望青，排名 9 行政职务：集团副总工程师 技术职称：教授级高工 工作单位： 中铁第四勘测设计院集团有限公司 完成单位： 中铁第四勘测设计院集团有限公司 对本项目技术创造性贡 献：对创新点 1、 3 做出重要贡献。10. 刘堂红，排名 10行政职务：技术职称：教授工作单位：中南大学完成单位：中南大学对本项目技术创造性贡献：对创新点 3 做出重要贡献。主要完成单位及创新推广贡献本项目完成单位共计 7 家：中南大学、中铁大桥勘测设计院集团有限公司、中国铁路设计集团 有限公司、长沙理工大学、中铁第四勘察设计院集团有限公司、东南大学、高速铁路建造技术国家 工程实验室。中南大学为本项目的主要研发单位，负责

13、本项目总体规划和技术路线安排，组织本项 目的计划于实施，并对研究成果进行全面审定，负责本课题整体成果的推广与应用。中铁大桥勘测 设计院集团有限公司组织本项目的计划与实施，并负责本项目的成果总结。中国铁路设计集团有限 公司完成东南沿海台风区高铁桥梁抗风设计研究，并推广本项目研究成果实际工程应用。长沙理工 大学、东南大学和高速铁路建造技术国家工程实验室为本项目主要参与研发单位；中铁第四勘察设 计院集团有限公司利用本项目研究成果完成台风区大跨高铁桥梁的抗风设计及结构设计，并推广本 项目研究成果实际工程应用。完成人合作关系说明本项成果主要由中南大学何旭辉、邹云峰、郭文华、 敬海泉、刘堂红， 长沙理工大

14、学韩艳，东 南大学王浩，中国铁路设计集团有限公司苏伟，中 铁大桥勘测设计院集团有限公司李龙安，中铁第四勘察设计院集团有限公司文望青等人共同完成。 项目组成员长期从事桥梁工程科研和建设 （设计、 施工、管理）工作，有长期稳定的合作关系，对强风作用下桥上行车安全保障理论、技术及应用进 行了持续深入的研究。合作完成人何旭辉、邹云峰、郭文华、敬海泉、刘堂红同为中南大学教师，属同一单位，同一 课题组，完成人共同完成项目，合著论文，具有共同知识产权，共同获得 2017 年度湖南省科技进步 一等奖。 主要完成的工作包括： 提出了静止 /移动车 -桥系统气动耦合特性识别关键技术方法， 解决了 风-车-桥系统理

15、论分析难以试验验证的技术难题；建立了强风作用下桥上运行车辆倾覆的分析模型， 并提出了考虑车桥气动相互干扰的倾覆系数计算公式；提出了桥上典型高速列车安全运行车速和风 速指标体系；基于风屏障气动综合优化结果，给出了桥上典型风屏障最优结构形式和设计参数；提 出了多种新型风屏障，为自适应风屏障的实现提供了途径。合作完成人韩艳，系长沙理工大学教授，长期从事桥梁风工程、公路风-车 -桥耦合振动等研究，自 2010 年起与中南大学合作承担了风 -车 -桥耦合振动研究，合著论文，具有共同知识产权，共同获 得 2017 年湖南省科技进步一等奖。主要完成的工作包括：开发一种移动汽车模型气动力测试装置， 有效地模拟

16、车辆在桥梁上的行驶状态，并准确地测试车辆的气动力，探明车辆与桥梁间的气动干扰 规律，建立了桥上典型车辆气动力荷载模型；建立了能考虑车桥气动耦合效应和抖振力空间相关性 等影响的风 -车 -桥系统耦合振动响应分析方法，进一步提高风-车 -桥系统动力响应预测精度。合作完成人王浩，东南大学教授，长期从事结构抗风研究，自 2011 年起，与中南大学合作开展 了特殊风向场风特性研究工作，合著论文，具有共同知识产权。主要完成的工作包括：提出了基于 小波函数加权和法的非平稳风速演变功率谱密度函数估计方法，基于实测数据和数值模拟，建立了 复杂地形的边界层强风精细风谱模型，针对大跨桥梁的整体振动；建立了一种可考虑

17、 TMD 影响的 车辆 -桥梁空间振动时域分析方法，提出了利用最小峰值优化准则确定TMD 参数，并给出了建议取值。合作完成人苏伟，中国铁路设计集团有限公司教授级高工，长期从事铁路桥梁车-桥耦合振动研究，自 2010 年起，与中南大学合作承担了中国铁路总公司重点课题。主要完成的工作包括：对不同 跨度等级、不同设计速度、不同基础沉降等条件下的常用跨度桥梁进行车桥耦合分析，得出各工况 下常用跨度高速铁路桥梁、城际铁路桥梁、客货共线铁路桥梁和重载铁路桥梁的跨中动挠度、跨中 加速度、轮重减载率及车体加速度响应值，进而确定了的桥梁竖向设计基频、竖向挠跨比、梁端竖 向折角、基础工后沉降及墩台顶纵向线刚度限值，为强风作用下桥梁动力设计提供了科学依据。合作完成人李龙安，系中铁大桥勘测设计院集团有限公司教授级高工，长期从事大跨铁路桥梁 设计工作，自 2006 年起与中南大学合作承担了天兴洲长江大桥、大胜关长江大桥、洞庭湖特大桥等 大跨桥梁风 -车 -桥耦合振动分析、 新型风屏障气动优化研究， 与中南大学合作承担了中国铁路总公司 重点课题，共同获得 2017 年