强风作用下桥上行车安全保障关键技术及应用

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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：强风是引发车俩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 而更为突岀。 因强风导致车辆限速、限行甚至行车安全事故在世界范I羽内时有发生，轻则路网中断，重则车毁人亡，社 会影响极大。该项目结合国家髙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別关键技 术，首次建立

2、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、风屏障髙度/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、离地髙

3、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 更为突岀。因强风导致车辆限速、限行甚至行车安全事故在世界范由内时有发生，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

4、步 一等奖 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、科技鉴宦与评价意见中国铁道学会组织的科学技术成果评价认为：“研究成果总体上达到国际先进水平，其中移动车 -桥 风洞实验系统和

5、百叶窗新型风屏障结构居国际领先水平”。2、科技查新教冇部科技查新工作站（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 未见报逍”。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应用前

6、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 体名称国 家 （地 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） 有效状态发明专利种u形中ZL20201/t/t-第中南大学：何旭辉，余志有风洞试验列国125年31614144 号高速铁路建武，李玲瑶，效车加速系统10505519625日适技术国家王汉封，黄志工程实验辉，冉瑙飞赖室惹菽发明专利种移动列中国ZL20201/t/t-第中南大学：何旭有效牟无线动力131004346年1丿J1929901 号高速铁路建辉，刘应龙，测试系81.

7、320日造技术国家余志武，冉瑞统工程实验室飞，杜风宇， 叶剑发明专利用于高速铁中国ZL201/t/t-第中南大学：何旭有效路桥梁的组20146年062103047 号高速铁路建合式风10253516丿J 08日适技术国家叶剑，屏障7工程实验邹云峰，王室汉対史康，周佳发明用于车中ZL20201/t/t-第中南大何旭有效专利行桥梁的自国161021678年062959929 号学；中国铁辉，柏宇.邹适应风屛障92.5月15日路总公司：云峰，高速铁路建方东造技术国家旭，代雪炜.工程实验室李欢.王汉封发明专耗能挡中ZL20201/t/t-第中南大何旭辉，邹云有效利风壇国158年032843181 号学

8、：高速铁峰，叶祎10154517月13日路建造技术0国家工程实 验室发明专移动车中ZL20201/t/t-第长沙韩艳.蔡春有效利辆气动力测国121052755年011631614 号理工大学声，张建仁.试装置45. 9月15日罗昆.李春 光，般新锋. 王武生，陈政清，李传习，胡揭 玄发明专利用于组 合节段模型气 动力同步分离 的模拟装迓中国ZL201510011660. 42017年07月25日/t/t-第2563469 号中南大 学：高速铁 路建造技术 国家工程实 验室邹云 峰何旭辉， 李欢贺俊周 佳有效发明专利间风谱模型的 建立方法中国ZL201210172732. X2014年09Ji

9、10 日/t/t-第1479388 号东南大学王浩， 程怀宇，郭 彤吴明明 王龙花有效软件著作权商速铁路桥梁列车 -风耦合系统动 力分析软件中国2012SR0159102011年05月30日软著登 字第 0SS3946号郭文 华：刘海涛： 陈代海：司学 通有效软件著作权IE平稳 激励下午桥耦 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 完成单位：中南大学对本项目技术创造性贡献：对创新点 1、2、3 做出创造性贡献2. 韩

10、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 1、2、3 做出创造性贡献3. 邹云峰，排统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 1、2、3 做出创造性贡献4. 郭文华，排名 4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 2 做岀创造性贡献。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 对本项目技术创造性贡献：对创新点 1 做岀创造性贡献。6. 苏伟，排名 6行政职务

11、：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：中国铁路设讣集团有限公司 对本项目技术创造性贡献：对创新点 3 做岀创造性贡献。7. 李龙安，排名 7行政职务：副院长 技术职称：教授级髙工 工作单位：中铁大桥勘测设计院集团有限公司 完成单位：中铁大桥勘测设汁院集团有限公司 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 做岀重要贡献。9. 文望青，排名9行政职务：集团副总工程师技术职称：教授级髙工工作单位：中铁第四勘测设汁院集团有限公司

12、 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 做岀重要贡献。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、中铁第四勘察设汁院集团有限公司、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 对研究成果进行全而审定，负责本课题整体成果的推广

13、与应用。中铁大桥勘测 设计院集团有限公司组织本 项目的讣划与实施，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髙铁桥梁 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 区大跨髙铁桥梁的抗风设汁及结构设计，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

14、四勘察设汁院 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（设讣、施工、管理）工作， 有长期稳左的合作关系，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，并提岀了考虑车桥气动 相互干扰的

15、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讣参数: 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

16、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，进一步提髙风-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：提岀了基于 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，提出了利用最小邮值优化准则确左 TMD 参数，并给岀了建议

17、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，得岀各工况 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，进而确立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，系中铁大桥勘测设讣院集团有限公司教授级

18、髙工，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年度湖南省科技进步一等奖。主要完成的工作包括：开展了髙铁桥上风 屏障参数优化研究，并 配合项目研究依托工程的落实和实施，负责在重大桥梁工程积极推广应用配 合项目研究依托工程的落实和 实施，配合子课题“强风下桥上行车安全的气动优化技术”、依托工程 试验与实施的部分研究工作：负责 在铁路重大桥梁工程上积极推广应用项目研究成果。合作完成人文望青，中铁第四勘察设计院集团有限公司教授级髙工，长期从事铁路桥梁相关研 究，自 2008 年与中南大学合作。主要完成的工作包括：参与了台风区公铁平层大跨多塔斜拉桥抗风 研究，提出了 大跨桥梁柔性构大幅风致振动新型抑振措施控制。