2019年, 第43卷, 第4期　刊出日期：2019-08-30

  

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隧道与地下工程
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  砂卵石地层矿山法隧道近距离穿越既有线关键技术研究

  戴志仁，任建，王俊，李小强

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180125

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  针对富水砂卵石地层新建隧道超小净距离下穿已运营地铁盾构隧道工程，对既有线保护涉及的隧道穿越工法进行了全面比较，研究了矿山法隧道涉及的地层超前支护方式，并采用数值计算与理论分析相结合的手段从受力转换与拱顶应力释放控制角度对隧道衬砌结构选型进行了探讨，研究结果表明：矿山法隧道近距离下穿既有运营地铁隧道具有一定优势；矿山法隧道大管棚超前支护形成的钢筋砼扣拱，具有明显的隔断开挖扰动、减小地层应力释放的作用，发现钢管套打工艺可有效解决砂卵石地层钢管难以打入的难题；初期支护+二次衬砌+三次衬砌的结构型式可显著减小隧道永久结构施工期间的应力释放与围岩变形，最大程度减少结构受力体系转换过程中的应力释放与地层变形，确保满足既有线安全运营需求，研究结论可为类似工程提供借鉴与参考.
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  基于自由落体的落石冲击土层的理论及LS-DYNA模拟研究

  王星,周天跃,师江涛,夏永旭

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 9. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190015

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  通过理论推导，分别获得了滚石最大冲击力的脉冲算法、弹塑性算法，采用LS-DYNA软件研究了滚石冲击过程中的冲击力及侵彻深度随冲击时间的变化规律，并结合具体算例对滚石冲击力的Hertz算法、日本算法、瑞士算法、关宝树算法、隧道手册算法、脉冲算法、弹塑性算法及数值模拟结果进行了对比分析，研究得出：LS-DYNA数值模拟结果、日本算法、瑞士算法、弹塑性算法及脉冲算法一致性较好，但脉冲算法所得出的计算结果略微偏小.然后以数值模拟结果及隧道手册算法结果为基础，建立了滚石的冲击力的冲击速度与放大系数的关系曲线，并同时考虑了滚石冲击过程中的恢复系数、冲击角度及滚石重力所带来的影响，从而得出了最终滚石冲击力的LS-DYNA算法，并验证了其适用性.
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  临海隧道渗流场解析解研究

  刘强,潘坚文,金峰

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 18. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180035

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  以复变函数理论与地下水水力学为研究基础，推导了由围岩、注浆圈和衬砌混凝土组成的临海隧道渗流场解析解，同时将解析解与基于无限含水层中的竖井理论推导的公式进行对比，以拱北隧道暗挖段为工程背景，通过求得的解析解分析隧道各部分参数对衬砌后水压、渗流量和安全系数的影响规律.结果表明：注浆圈、初支和二次衬砌施工效果对衬砌后水压力、渗流量和安全系数的影响很大，并呈现一定的规律性，应重视注浆圈、初期支护和二次衬砌的施工.当注浆圈厚度为2.5 m，渗透系数达0.5～2×10-7m/s，初期支护厚度为0.3 m，渗透系数达0.5～2×10-8m/s，二次衬砌厚度为0.3 m，渗透系数达0.5～2×10-8m/s，此时，衬砌后水压和渗流量处于合理水平，衬砌的安全性较好.
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  复杂环境下北京地铁车站深基坑变形时空规律研究

  李淑,张顶立,邵运达

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 29. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190040

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  以北京地铁9号线丰台北路站深基坑及周围环境的变形监测数据为依据，探讨了地表沉降、桩体位移、支撑轴力与坑底隆起的时空规律.研究表明：1)地表沉降和桩体侧移随时间发展逐渐变大；空间上沿坑角至基坑中部逐渐增大，大致可分为3个区域：快速增长区域、过渡区域和平缓区域；相比地表沉降，桩体的侧移量更大一些，桩体侧移在开挖到底后的拆撑过程中有明显增大.2)由于基坑土方开挖和支撑架设的反复扰动，支撑轴力反复振荡，直至底板施工完成时逐渐趋于稳定；空间上沿坑角至基坑中部逐渐增大；同一根桩轴力大小与桩体侧移具有显著的负相关性，侧移随支撑轴力的增大而减小.3)坑底隆起随时间发展逐渐增大，至开挖结束时达到最大，然后逐渐减小；空间上基坑中部（中间桩）隆起量远大于坑边（围护桩），差异量随开挖深度增大逐渐增大，至开挖结束时达到最大.研究成果可为北京地区深基坑精细化设计与施工提供参考.
岩土工程
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  不同位置裂隙水流-传热对高放废物处置库近场温度影响的三维数值分析

  高俊义,项彦勇,吴乔,杨红霞

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 37. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180121

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  为研究不同位置裂隙水流-传热对高放废物处置库近场温度的影响，采用3DEC建立数值模型，分析位于巷道上方远处和近处单裂隙水流，以及位于巷道上、下方近处两裂隙水流对处置库近场温度分布的影响.结果发现：裂隙水流传热对处置库近场温度分布的影响显著，裂隙水流吸热降温以及传热作用使膨润土温度比裂隙水静止时低；裂隙水流离巷道越近，对热量向其另一侧岩体传导的阻滞能力越强，致使裂隙水流上游和下游区域的传热面积越大，并且裂隙水流吸热降温以及传热作用越强，膨润土温度比远裂隙时低；巷道下方增加裂隙水流后，两条裂隙水流对热量向其两侧岩体传导的阻滞能力进一步增强，致使裂隙水流上游和下游区域的传热面积进一步增大，膨润土温度比单裂隙时高；裂隙水流距巷道由远及近，导致裂隙水的最高温分布由上游区域发展到下游区域，而巷道下部裂隙水流对巷道上部裂隙水温影响较小.
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  基于双折减策略的边坡稳定性分析

  成子桥,李建宇,吴顺川,熊良锋

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 45. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180059

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  传统强度折减法采用单一系数折减黏聚力和内摩擦系数，其不符合边坡介质的真实力学行为.为此，本文考虑一种基于双折减策略的边坡稳定性分析方法，即黏聚力和内摩擦系数分别采用不同的折减系数.通过构建一套逐步折减方案，开展双折减数值试验，以探讨不同安全系数定义的合理性.数值试验结果表明:关于边坡临界强度线的假设是合理的；并建议采用极限平衡法方案定义其安全系数，以便于和现有规范等比较.此外，该方法计算的安全系数最小值及其临界滑面与传统强度折减法差异较小.
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  基于现场试验与数值模拟的微型桩设计参数优化

  张力,赵振宇,刘力璇,李超,李鑫,邱树茂

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 52. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190046

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  通过分析、模拟和现场试验等方法，对微型桩结构的变形特性、抗滑机理进行分析研究，在现场试验保证模型可行性的前提下，模拟结构自身参数及岩土体参数的变化对结构性能的影响，提出合理的参数优化设计：1）微型桩的桩间距和排间距应为3D~7D；2）微型桩的锚固段长度应取1/3~1/2个桩长；3）合适的注浆技术会改变土体参数，进而影响微型桩的加固作用.本文为微型桩在实际工程中的应用提供了一种较准确、经济的设计方法.
BIM技术应用与建设结构
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  北京新机场线共构结构架梁施工试验研究

  张鹏,李凌宜,曹伟光,王月,任彧钊，刘智敏

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 58. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190041

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  以北京轨道交通新机场线为研究背景，进行高架共构架梁施工过程的试验研究，基于建筑信息模型(BIM)进行可视化表达，通过Midas/Civil软件进行有限元分析，验证共构架梁技术的可行性；在施工现场应用新型试验方法进行研究，布设振弦式应变传感器监测架梁力学行为，布设微形变雷达监测仪及三维激光扫描仪监测结构变形，验证共构架梁技术的安全性.研究结果表明:高架共构结构架梁施工过程试验数据与计算数据变化规律一致，均在允许范围内，共构架梁技术具有较高的可靠度，能够提高施工效率和施工质量;试验研究所选取的试验方法是切实可行的，相关技术资料具有参考价值，为高架桥施工积累经验，推动高架桥施工技术的创新.
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  BIM技术在装配式桥梁工程中的应用

  陈文宝，魏志松，张航，王君，苗子臻

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 65. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190038

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  基于建筑信息模型(BIM)技术进行江西赣州快速路全预制装配式市政桥梁的应用研究，完成项目建模、深化设计、施工模拟、数字化生产管理、工程量复核、项目管理等工作.对市政桥梁装配式族库、预制构件的深化设计、施工方案模拟、装配式构件3D打印技术、项目管理信息化等进行研究.研究结果表明：BIM技术应用在装配式市政桥梁图纸审核、技术方案交底沟通、工程量校核、项目管理等方面，有利于交流沟通、提高质量、加快施工进度、节约成本，为该技术在装配式市政桥梁工程中的应用及推广积累经验.
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  藏式古建结构动力响应计算中人群荷载参数敏感性分析

  杨娜，戴璐

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 71. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180147

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  古建结构的游客荷载是结构分析中重要的荷载形式.人群荷载形式复杂且由多个参数控制，影响结构响应的人群荷载参数包括行人数量、行人质量、行人步频等.为确定上述参数对结构响应的影响程度，从概率分析的角度出发，结合人群荷载作用下结构加速度响应的频谱计算方法，探究一种结构响应对人群荷载参数敏感性的分析方法.首先将人群荷载参数看作随机变量，其次利用典型藏式古建木构的现场调研数据来获得人群参数的分布规律，最后采用所提出的敏感性分析方法来计算结构响应在人群荷载参数波动范围内敏感性系数的变化规律，结果表明：在各个参数发生相同程度的波动时，相比行人质量和行人数量，步频对结构响应的影响最为显著.
机械与电子控制工程
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  连续体并联抓取机器人的结构设计及运动学分析

  方跃法，林华杰

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 80. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180119

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  为扩大并联机构在抓取操作领域的应用，提出一种非刚性的连续体并联抓取机器人，并对其进行了结构设计及运动学分析.相较于传统的刚性并联机器人，连续体并联抓取机器人以弹性杆式的连续体结构作为运动支链，具有更高的运动柔顺性；末端抓取装置采用远程驱动，使机器人在结构上更具轻量化.运用等效D-H法建立了机器人的运动学模型，求解了正、逆解及雅克比矩阵，并利用Matlab绘制其工作空间.在三维建模的基础上，利用Adams进行了机器人虚拟样机的运动学仿真. 结果表明：三自由度的连续体并联抓取机器人具有较大的工作空间和良好的运动性能,能够实现大范围抓取操作任务.
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  协作机器人触觉传感装置的设计与碰撞实验

  张秀丽，韩春燕

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 88. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180042

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  为提高人机交互中的安全性，设计了一款可穿戴式触觉检测设备，搭建了信息采集系统,对触觉设备的各触觉单元进行了静态标定及数学建模.将其应用于三自由度的轻型机械臂上，利用机器人正运动学D-H法建立了触觉传感单元的运动学模型,通过运动学正逆解得到各触觉单元位姿矩阵，利用坐标系变换进行各触觉正压力方向信息的分析.最后，提出了触觉单元碰撞力方向的识别方法，设计了机械臂碰撞检测避让路径及碰撞实验.实验结果表明，触觉传感装置可以有效的检测碰撞，触觉单元接触力方向识别方法具有较好的准确性.可将其应用在人机交互中进行碰撞检测，从而进行相应的安全控制，提高人机交互的安全.
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  轮毂电机驱动纯电动汽车的车体侧偏角观测与稳定性控制

  耿聪，张欣，姜涛，张健

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 96. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180144

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  基于车体侧偏角观测中存在的轮胎非线性侧偏问题，对轮胎的非线性侧偏特性进行研究，提出了一种基于非线性轮胎模型的等效线性观测器设计方法.利用轮毂电机转矩易于测试和控制精确的特点，提出了基于非线性轮胎模型的车体侧偏角观测和控制方法.利用轮毂电机之间的转矩差产生直接横摆力矩，并通过车体侧偏角和横摆角速度的反馈控制使车辆处于理想运行状态，以保持车辆的稳定性.该控制的主要难点在于系统的非线性带来的侧偏角观测问题，通过非线性轮胎模型构造等效线性二自由度车辆模型，并采用鲁棒控制算法进行观测器反馈系数矩阵的计算，提高了观测器的工况适应性及观测精度.轮毂电机驱动电动汽车实车实验结果表明：所提出的观测器可以有效提高车体侧偏角观测精度，并且在此基础上提出的控制器可以控制车辆处于稳定状态，提高了车辆稳定性.
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  中小型风电机组变桨距控制算法研究

  陈广华，张健，张坤婷，李梦凡

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 102. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180052

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  针对高风速状况下，中小型独立风力发电机组转速控制不合理、运行可靠性低的问题，提出使用模糊PID变桨距控制器实现转速的稳定控制.在整个模糊PID控制器的设计过程中，确定了模糊语言变量和隶属函数，制定了模糊规则，应用Simulink进行仿真编程，并以经典的PID模型作为比较，对两种控制策略进行了动态仿真对比.仿真结果表明：在风速超过额定风速时，模糊PID控制能够减小转速超调量4％，缩短调节时间0.2 s.最后，通过现场测试数据统计可知，高风速状况下，模糊PID变桨距控制器通过调节风电机组桨距角，完成风机输出的稳定控制.
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  基于自由曲面类零件的球头立铣刀切削力建模

  蔡永林，鞠楠

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 109. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180184

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  针对自由曲面类零件加工过程中的切削力预测问题，以现有切削力模型为基础，建立球头刀的切削力模型；综合考虑工件曲面的曲率及刀轴矢量姿态的变化，提出计算切削力模型中未变形切屑厚度的算法，从而将现有的切削力模型从平面类零件推广到自由曲面类零件；根据对切屑几何体形成机理的分析，得到刀具刃线参与切削区域须满足的几何条件，避免了复杂度较高的实体求交运算，提高了切削力计算的效率；通过钛合金切削实验，计算出切削力模型中的切削力系数，并验证了模型的可靠性.
交通运输工程
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  基于Dijkstra算法优化的城市交通路径分析

  吴红波，王英杰，杨肖肖

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 116. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180109

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  为降低运输、时间和距离成本，需合理地规划城市车辆行驶线路.以汉中市主城区道路网络为例，考虑选线过程中道路风险阻强和路况因素，利用网络拓扑、地理编码和网络分析，基于Dijkstra算法优化对车辆行驶路线进行选择，并对最优路线进行分析与验证.结果表明：GIS网络分析与Dijkstra算法的有效集成不但可实现城市车辆行驶路线优化决策，而且Dijkstra算法优化能减少节点访问次数和时间复杂度.在行驶时间和距离约束条件下，限速、道路等级、路况信息是制约选线的主要因素，其图形化结果可以为驾驶员的驾车出行、交通管理部门决策提供技术支持和参考.
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  基于GIS空间分析建模的区间线路走向自动生成方法

  谭衢霖，李然，董晓峰，杨敬，秦晓春

  北京交通大学学报. 2019, 43(4): 122. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180103

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  在GIS空间分析技术支持下，综合考虑分析铁路选线区域内的地形、地理环境和生态环境影响，以坡度、坡向、土地利用、植物群落、水域和湿地、道路、文物古迹和建筑用地等8个影响因素作为铁路选线的单成本因子，以辽宁省康平-法库区间铁路线路选线为试验段，建立以综合成本最低为目标、可以自动生成最优线路路径的区间铁路选线空间信息分析模型.康平-法库区间铁路选线GIS建模应用表明，基于成本距离的最优路径技术，是解决铁路选线多目标约束条件下自动进行空间线路搜索决策的可行方法，可有效克服选线设计中方案有限、选线效率低、决策周期长等问题.