2019年, 第43卷, 第6期　刊出日期：2019-12-28

  

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土木工程
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  千米级主跨斜拉桥无缝线路受力与变形特性研究

  蔡小培，高梓航，苗倩，刘万里，谭茜元

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190011

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  与普通简支梁桥和连续梁桥相比，千米级主跨斜拉桥上的无缝线路受力与变形更为复杂.在充分考虑梁轨间的相互作用原理基础上，建立了无缝线路-梁-索-塔-墩空间耦合有限元模型，分析了千米级主跨斜拉桥上无缝线路的受力与变形特性.结果表明：千米级主跨斜拉桥温度跨度大，梁体温度变化会导致产生较大的伸缩附加力；主塔与斜拉索温度变化对于伸缩附加力影响不大；相比于铁路荷载单独作用，公铁荷载共同作用会使桥上无缝线路挠曲附加力大幅增加，其引起的轨道不平顺值满足规范要求；桥上铺设常阻力或小阻力扣件时，钢轨强度和稳定性不能满足规范要求，需在主梁两端铺设钢轨伸缩调节器；由桥梁温度变化及制动荷载引起的伸缩总量近700 mm，考虑其他不利因素的影响，建议选用±900 mm及以上伸缩调节器结构.
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  基于监测数据的高速铁路高架站轨道系统测点优化布置研究

  马卓然，高亮，马帅，周陈一，杨怀志，谷永磊

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 9. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180169

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  高架站作为高速铁路轨道系统中的最敏感区段之一，对其进行长期安全监测至关重要.在监测中，大量布设传感器既导致成本高昂，又造成设备的冗余和浪费.为此，通过对长期监测数据进行分析，建立多种数学模型对监测指标与温度、监测指标与空间位置的相关关系进行研究，并基于此提出一套针对高架站轨道系统的测点优化布置建议.研究结果表明，钢轨纵向应力、尖轨纵向位移等指标受温度累积效应影响明显，与轨温序列具有较强的线性相关性，故可利用轨温数据建立多元线性回归模型进行估算；轨下结构相对位移受空间位置、约束条件影响较大，可根据测点间的线性换算关系建立关联模型，以减少同类测点的布置；经过优化布置，测点量可由38个降至17个，能够为改善高架站轨道系统测点冗余问题提供指导.
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  京福高铁小半径曲线轨道服役状态监测试验研究

  林超

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 19. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180067

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  在运营过程中，受高速列车的碾压和冲击，小半径曲线地段已成为高速铁路轨道结构的薄弱环节之一.为保障列车的安全运行，需建立小半径曲线地段轨道结构长期监测系统，实现监测数据的自动采集、传输、存储和关联分析，并对可能发生的破坏进行预测预警.通过对2年监测周期内小半径曲线地段CRTS II型板式无砟轨道结构的温度、受力变形等监测数据的综合分析，得出合肥地区夏季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值增加11 ℃，冬季轨道板板中的月最高温度是月最高气温值减少3 ℃；全年路基摩擦板地段钢轨与轨道板的纵向相对位移在1 mm以内，大端刺附近钢轨与轨道板的纵向相对位移最大值为2.9 mm；从简支梁到端刺，钢轨受到的压应力逐渐减小，冬季端刺区钢轨出现了拉应力，最大拉应力为32 MPa.
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  轨底坡对运营地铁轮轨接触特性的影响分析

  高雅，时瑾，李克飞

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 25. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190001

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  为研究不同轨底坡条件下实际运营地铁列车的轮轨接触特性，采用轮轨接触空间迹线方法计算分析了轨底坡对轮轨接触几何参数的影响，并建立某地铁B型车辆动力学模型，详细分析了不同线路条件下轨底坡对车辆动力学性能的影响规律.研究表明：LM&CHN60轮轨匹配条件下，轨底坡在1/45~1/20范围内轮轨接触点分布连续，特别是直线段在轨底坡为1/20、曲线段在轨底坡为1/40时轮轨匹配性能良好；运营条件下车轮踏面凹磨造成等效锥度过大，轮轨接触点分布不连续，易造成异常晃车；曲线地段车轮踏面凹磨限制了轮对横向运动，导致轮对对中困难，轮轨接触匹配不良，易造成轮轨滚动接触疲劳.
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  隧道工程可靠性基本要素统计分析与建议

  文明，张顶立，季学伟，吴爱枝，方黄城，于富才

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 34. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180141

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  通过收集与整理203篇隧道工程科研论文和工程案例，对隧道围岩力学参数、荷载参数和支护构件参数的变异系数和概率分布类型以及功能函数设计表达式进行统计分析，结合各行业隧道设计规范的发展现状，从计算变量与功能函数层面指出了当前隧道工程可靠性分析中存在的不足之处，并提出了具体的对策建议.结果表明：支护构件参数的变异性整体小于围岩力学参数和围岩荷载参数、稳定性条件差的围岩变异性大于稳定性条件好的围岩、支护构件几何参数变异性高于材料参数变异性；整理出4种隧道结构可靠性分析功能函数设计表达式，荷载-结构模式下的功能函数主要为结构强度准则，地层结构模式条件下的功能函数则兼有强度准则与变形准则；得出隧道力学参数变异系数的参考值区间及建议概率分布类型，可指导因地勘工作无法进行或者不够全面的条件下隧道工程可靠性分析中的参数取值.
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  老黏土地层土压盾构刀盘堵塞渣土改良效果评价方法

  杨益，朱文骏，李兴高，苏伟林

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 43. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180146

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  以常州地铁2号线某盾构区间穿越老黏土地层为项目背景，对刀盘在硬塑高强度、高韧性黏土中的“堵塞”风险进行了初步评估，并设计和进行了改良渣土锥体拉拔试验，该试验方法可用于评价黏性渣土的改良效果.研究表明：黏土含水率对锥体极限拉拔强度有显著影响，含水率越高，极限拉拔强度越小；分散剂在黏土稠度指数Ic<0.75时能有效降低锥体极限拉拔强度，减小量在10 kN/m2以上；试验所用黏土在稠度指数Ic=0.5~0.75时黏附量较高，在500 g/m2以上；添加分散剂后改良渣土的黏附量明显减小，关键在于黏土与分散剂充分混合.依据试验结果及现场经验提出评价改良后黏性渣土“堵塞”风险的方案，将黏性渣土按照极限拉拔强度和黏附量划分为4个“堵塞”风险等级.
智能交通
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  基于梯度下降Tucker分解的高速公路数据质量控制算法

  高志军，刘懿如，王江锋，闫学东，黄海涛，叶劲松

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 50. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190017

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  高速公路交通流具有多维时空动态特征，其实际调查的数据存在过量随机异常的数据，导致有关调查数据的质量无法满足高速公路主动安全管理对路网各层级交通流调控的需求.利用张量理论所具有的良好多维时空数据处理能力，构建考虑短期波动、长期趋势和车道空间信息的多维时空动态张量矩阵，提出一种基于多维张量分解思维的梯度下降Tucker分解的数据质量控制算法，有效弥补传统数据质量控制方法对交通流数据内在时空关联信息利用不足的情况.选取G4京港澳高速公路杜家坎路段实际速度数据作为研究对象，选择车道维度、时间维度、时间间隔维度，构建多种不同张量矩阵形式，对算法进行实证分析.结果表明:所提出的数据质量控制算法具有良好的高速公路交通流数据修复效果.其中，以车道、天数、5 min采集时间间隔3个维度所构建的张量形式修复效果最好，95%测试数据的修复值与实际值的误差在（-5%,+5%）范围内.
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  不确定成本下轴辐网络关键枢纽识别模型

  李婷婷，杨家文

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 56. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190018

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  为识别不确定运输成本下的轴辐网络关键枢纽，在枢纽阻断中位问题模型（r-Hub Interdiction Median Problem，r-HIMP）的基础上，采用不确定区间集合描述运输成本的不确定性，引入不确定性预算参数调节解的鲁棒性与最优性，构建不确定成本下的枢纽阻断中位问题模型（r-HIMP under uncertain cost，r-HIMPUC），采用对偶与线性化方法将r-HIMPUC双层规划模型转化为单层线性规划模型，通过优化软件CPLEX求解并以算例验证了模型的有效性.结果表明：当不确定性预算参数为0时，模型r-HIMPUC等价于r-HIMP；当不确定性预算参数不为0时，模型r-HIMPUC与r-HIMP的关键枢纽识别结果存在差异.此外，运输成本的偏差、不确定性预算参数对关键枢纽识别结果有影响，决策者可根据风险偏好对不确定性预算参数取值.
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  基于防御性驾驶的一维元胞自动机交通流模型

  侯培国，闫成浩，余焊威，洪嘉阳

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 62. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180190

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  针对SDNaSch模型中车辆容易发生急刹车行为的不安全性问题，对前车停车之前的减速行为进行研究，提出了一种基于防御性驾驶的一维元胞自动机交通流模型.通过计算机数值模拟，得到了不同防御性减速概率下流量-密度关系，平均速度-密度关系，急刹车比例-密度关系与时空图，并对防御性驾驶模型的安全性与稳定性进行了分析.结果表明，DD模型提高了中高密度的流量，延缓了完全静止堵塞现象的发生，大大减少了运行车辆的急刹行为，提高了道路交通的稳定性与安全性.在中高密度区域，出现稳定均匀的同步流，同时发现与实测数据相符合的“速度跃迁”现象，与SDNaSch相比，能够更好地描述道路交通流的实际运行状态.
建筑结构
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  锈蚀檩条在台风作用下时变可靠度计算模型

  刘威，杨娜，白凡，翁凯

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 67. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180163

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  基于大气锈蚀模型和简支檩条的屈曲计算理论，结合时变可靠度方法，提出了锈蚀檩条在台风作用下的可靠度计算模型.该模型考虑了在抗力层次锈蚀导致的抗力退化，以及在荷载层次台风的发生次数及强度.结合算例研究了中国沿海11个城市的锈蚀檩条可靠度变化规律，通过给出服役期间的可靠指标，进行可靠性分析.结果表明：锈蚀檩条在台风作用下的可靠指标在前5年下降速率较快，在第5年至服役期满逐渐趋于平缓.在服役前5年，锈蚀作用影响较小，但服役5年后直到服役期满，其对檩条可靠指标的影响逐渐增大.对比中美两国不同目标可靠指标下的评估结果，发现按照中国规范的评估结果较为保守.
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  京张高铁张家口南站钢结构施工BIM应用关键技术研究

  解亚龙，王万齐，范志强，刘伟

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 75. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190098

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  依托张家口南站钢结构施工管理开展了较为完整和全面的BIM技术探索，从结构验算、场地规划、复杂节点优化、钢结构算量4个方面开展了关键技术研究和应用，覆盖了高铁站房钢结构施工的主要工程难点，为其他高铁站房钢结构施工应用BIM技术提供借鉴和参考.
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  受扭圆环膜褶皱影响因素的数值分析

  王晓峰，刘启军，杨庆山

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 85. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190014

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  薄膜广泛应用于土木工程中的大跨建筑结构以及航空航天领域的空间可展结构.由于其厚度薄、抗弯刚度小，在压应力作用下会形成褶皱.褶皱变形对薄膜结构的表面精度以及力学特性产生重要影响.为了深入认识薄膜的褶皱行为，探究褶皱因素的影响作用及其影响机理，以受扭圆环膜为研究对象，采用基于板壳稳定理论的褶皱模型，借助有限元方法，深入分析了褶皱变形特征随边界条件、预张力、薄膜厚度以及材料常数等因素的变化规律.
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  环状SMP复合结构屈曲形貌调控和实验表征

  梁小燕，谢志金，李昊

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 92. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180185

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  环状形状记忆聚合物表面失稳形成微屈曲结构的实现难点之一，在于屈曲特征的控制，即屈曲波数与波长的调控.首先选取椭球模型，推导出环状基底上薄膜屈曲的特征公式.然后，应用有限元软件，模拟研究薄膜厚度、曲率半径、模量比等特征参数对环状基底上薄膜屈曲的影响.结果表明：有限元模拟特征参数对屈曲的影响与理论公式基本吻合.最后利用实验室现有条件，制备环状形状记忆聚合物膜基结构，并进行相关的热力学验证实验.
机械与电子控制工程
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  基于高速轮轴实测载荷的非参数拟合外推研究

  金新灿，张世强

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 97. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190016

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  以高速动车组动车轮轴动应力线路实测数据为依据，通过载荷与应变之间的关系，结合包络线的方法，得到实时的轮轴载荷，并编制实测轮轴载荷谱.对实测的高速轮轴载荷谱进行了非参数核密度估计的拟合外推分析，对比了固定带宽核密度和自适应带宽核密度两种方法的极值预测结果以及扩展载荷谱与实测载荷谱的损伤差值，并讨论了外推倍数对两种方法的影响.结果表明：自适应带宽核密度法预测的极值和频次更接近于实测值，损伤误差更小，由有限数据外推高频次数据的精度更高，更适合于高速轮轴载荷谱的外推，并初步验证了拟合外推方法的合理性.
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  基于旋转弱耦合与强耦合计算方法的大型汽轮发电机转子流体场与温度场研究

  李勇，李伟力，苏营

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 104. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190062

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  针对大型空冷汽轮发电机转子旋转状态下，转子内部流体流量和转子线圈温度难以准确测量的问题，对转子内部流体流动规律和温度分布进行了流体场和温度场研究.以一台100 MW空冷汽轮发电机为例，建立了三维流体与传热耦合计算模型.基于旋转弱耦合与旋转强耦合两种有限元计算方法，对该发电机的转子进行流体场和温度场计算.弱耦合计算方法主要根据流体流动的伯努利方程与计算流体力学相关方程联合求解，强耦合计算方法主要通过计算旋转流体力学方程求解.研究了转子额定励磁电流，转速3 000 r/min时，转子内部通风道流体温度与转子绕组温度的相互关系.并将两种计算方法对同一转子的流体流量和线圈温升结果做了对比分析，最后将两种计算方法所得的转子线圈温度计算结果与试验实测结果对比.结果表明：弱耦合计算方法与实测值误差为4.6%，强耦合计算方法与实测值误差为2.6%，两种计算方法均能满足工程计算的误差要求，旋转强耦合计算方法计算精度高于旋转弱耦合计算方法.
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  叶片曲面微结构加工刀位轨迹规划

  蔡永林，高超峰

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 111. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20190007

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  针对基于单齿刀具的叶片曲面微结构加工效率不高的问题，以小叶轮为例对叶片曲面微结构加工进行了深入研究.先根据待加工叶片曲面的曲率信息，设计一种高效的微结构侧铣加工专用刀具——多齿鼓形刀;然后以叶轮叶片曲面五轴数控加工为背景，利用多齿鼓形刀对叶片曲面微结构的加工进行刀位轨迹规划，使加工出的微结构分布均匀;最后以计算实例验证提出方法的有效性，并计算其刀位轨迹长度和加工仿真的时间，与单齿刀具进行比较.结果证明：采用多齿鼓形刀所生成的刀位轨迹长度和加工仿真时间都约为单齿刀具的1/3，加工效率得到了明显的提高，约为单齿刀具的3倍.
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  恒壁温下矩形微通道层流热入口段的换热特性研究

  苏良彬，段志鹏，何伯述，马浩，宁晓茹

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 118. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180135

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  热入口段对于微通道的换热有重要影响，而雷诺数Re对层流入口段的换热影响经常被忽略.据此，采用Fluent软件计算了恒壁温热边界条件下矩形微通道的换热性能，分析比较了不同Re数和不同宽高比对努谢尔数Nu的影响.结果表明：在入口区域，Re数对局部Nu数的影响不能忽略，当Re数小于125时，局部Nu数变化尤为明显；在充分发展后，Re数对Nu数的影响消失；矩形通道宽高比对局部Nu数的影响沿流动方向逐渐增大，在充分发展时达到最大值.此外计算了各工况下矩形通道的无量纲热入口段长度，发现在宽高比为3附近时，无量纲热入口段长度出现了最大值，该结果对微通道散热器优化设计具有一定的指导意义.
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  电石渣-碳酸钠法脱硫废水预处理试验研究

  叶旭润,李进,黄忠源,康晶,孙索清

  北京交通大学学报. 2019, 43(6): 124. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20180140

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  针对燃煤电厂脱硫废水处理难度大、处理费用高的问题，对电石渣-碳酸钠法替代传统石灰-碳酸钠法预处理脱硫废水的可行性与经济性进行了研究.通过加药试验确定了电石渣预处理脱硫废水的最佳反应条件，并分析了反应液中固体颗粒的沉降特性.试验结果表明：电石渣-碳酸钠法对Ca2+、Mg2+去除率可达99%；反应液中固体颗粒平均粒径为25.4 μm，与石灰-碳酸钠法相比提高了10 μm；固体悬浮物沉降速率提高了3倍.电石渣-碳酸钠法与传统方法的处理效果相当，且直接处理成本降低15.7%，澄清池占地面积减少40%.