強風作用下橋上行車安全保障關(guān)鍵技術(shù)及應用

1、強風作用下橋上行車安全保障關(guān)鍵技術(shù)及應用提名單位 ：詹天佑科學技術(shù)發(fā)展基金會提名獎種 ：國家科學技術(shù)進步獎提名意見 ：強風是引發(fā)車輛運行安全事故的主要氣象災害之一。由于橋梁結(jié)構(gòu)柔、離地高度大，車輛與橋梁之間動力相互作用顯著，強風作用下車橋系統(tǒng)氣動干擾效應復雜，橋上車輛的行駛安全問題較地面更為突出。因強風導致車輛限速、限行甚至行車安全事故在世界范圍內(nèi)時有發(fā)生，輕則路網(wǎng)中斷，重則車毀人亡，社會影響極大。該項目結(jié)合國家高鐵和公路網(wǎng)絡(luò)及城軌交通快速發(fā)展的重大需求，對強風作用下橋上行車安全氣動保障關(guān)鍵技術(shù)及應用開展深入系統(tǒng)的研究，研發(fā)了靜止 / 移動車 -橋系統(tǒng)氣動耦合特性識別關(guān)鍵技術(shù)，首次建立了橋上典

2、型車輛氣動力模型；率先考慮了風的非平穩(wěn)特性、氣動力耦合、抖振力空間相關(guān)性、駕駛員行為和多參數(shù)隨機性等影響，發(fā)展了公路、鐵路、輕軌及公鐵兩用橋梁的風-車 -橋系統(tǒng)耦合振動分析理論；建立列車外形、風屏障高度/形狀 /位置等設(shè)計參數(shù)優(yōu)化匹配準則，提出考慮風屏障、車輛和橋梁等多目標的協(xié)同抗風設(shè)計方法。該項目獲國家發(fā)明專利 18項，實用新型專利 21項，軟件著作權(quán) 12項；發(fā)表學術(shù)論文 111篇，獲湖南省科技進步一等獎 1項。對照國家科學技術(shù)進步獎授獎條件，提名該項目為國家科學技術(shù)進步獎二等獎。項目簡介 :強風是引發(fā)車輛運行安全事故的主要氣象災害之一。相比平地路基，橋梁結(jié)構(gòu)柔、離地高度大，車輛與橋梁之間

3、動力相互作用顯著，強風作用下車橋系統(tǒng)氣動干擾效應復雜，橋上車輛的行駛安全問題較地面更為突出。因強風導致車輛限速、限行甚至行車安全事故在世界范圍內(nèi)時有發(fā)生，輕則路網(wǎng)中斷，重則車毀人亡，社會影響極大。項目組經(jīng)過近20年的理論和技術(shù)創(chuàng)新，在公路和軌道交通移動車 -橋風洞試驗新技術(shù)、風車橋耦合振動理論分析新方法、車橋系統(tǒng)氣動防風新裝置及工程應用取得了突破性成果。授權(quán)發(fā)明專利18項、實用新型專利21項、軟件著作權(quán)12項，發(fā)表論文 111篇，出版專著 /教材 2部，被評價為“達到國際領(lǐng)先水平” 、“突破性進展” ，主要研究成果納入高速鐵路設(shè)計規(guī)范，獲湖南省科技進步一等獎 1項。主要成果已應用于 40余座受

4、強風影響的東南沿海及西部山區(qū)鐵路、公路及城軌重大橋梁，有力保障了強風作用下車 -橋系統(tǒng)的運營安全，社會和經(jīng)濟效益顯著?？陀^評價 :本項目利用聯(lián)合攻關(guān)與集成創(chuàng)新等手段，研發(fā)了靜止 /移動車輛 -橋梁系統(tǒng)氣動耦合特性識別新技術(shù)，建立了強風作用下公路和軌道交通車-橋系統(tǒng)耦合振動精細化分析方法，形成了強風作用下橋上行車安全的綜合保障技術(shù)，成功解決了強風下橋上行車安全和運營實踐中的一系列難題，項目整體技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。1、科技鑒定與評價意見中國鐵道學會組織的科學技術(shù)成果評價認為：“研究成果總體上達到國際先進水平，其中移動車-橋風洞實驗系統(tǒng)和百葉窗新型風屏障結(jié)構(gòu)居國際領(lǐng)先水平”。2、科技查新教育部科技

5、查新工作站（Z11）查新報告表明， “新技術(shù)的創(chuàng)新性與先進性在國內(nèi)外專利及文獻中均未見報道” 。3、科技獎勵（ 1） 2017 年度湖南省科技進步一等獎推廣應用情況該項目研究自 2002 年開始，秉著“邊研究、邊出成果、邊應用”的原則，部分研究成果早在 2004 年便已開始推廣應用。截至 2015 年底，項目技術(shù)成果已在武廣高鐵天興洲長江大橋、京滬高速鐵路大勝關(guān)長江大橋、重慶菜園壩長江大橋、武漢沌口長江大橋等40 余座大跨度橋梁得到應用，保證了橋上車輛運行的安全性與舒適性，取得了顯著的社會、環(huán)保與經(jīng)濟效益，表明項目技術(shù)成果具有廣闊的推廣應用前景。主要知識產(chǎn)權(quán)證明目錄知識產(chǎn)權(quán)國家授權(quán)號授權(quán)（標證

6、書編號權(quán)利人（標發(fā)明專知識產(chǎn)權(quán)（標發(fā)明人（標利（標（標準） 類（地（標準編準發(fā)布）（標準批準準起草單準）具體名稱準起草人）準）有效別區(qū)）號）日期發(fā)布部門）位）狀態(tài)發(fā)明專利一種 U形風洞中國ZL20122015 年第 1614144中南大學；何旭輝, 余有效試驗列車加105055193月25號高速鐵路志武 ,李玲速系統(tǒng).6日建造技術(shù)瑤,王漢封 ,國家工程黃志輝 ,冉實驗室瑞飛 ,賴慧蕊發(fā)明專利一種移動列中國ZL2013102016 年第 1929901中南大學；何旭輝, 劉有效車無線動力043484.31月20號高速鐵路應龍，余志測試系統(tǒng)日建造技術(shù)武，冉瑞飛，國家工程杜風宇，葉實驗室劍發(fā)明專利用

7、于高速鐵中國ZL 20142016 年第 2103047中南大學；何旭輝，有效路橋梁的組1025351606月 08號高速鐵路葉劍，鄒云合式風屏障.7日建造技術(shù)峰，王漢封，國家工程史康，周佳實驗室發(fā)明專利用于車行橋中國ZL2016102018 年第 2959929中南大學；何旭輝，柏有效梁的自適應216792.506月 15號中國鐵路宇，鄒云峰，風屏障日總公司；高方東旭，代速鐵路建雪煒，李歡，造技術(shù)國王漢封家工程實驗室發(fā)明專利耗能擋風墻中國ZL20152018 年第 2843181中南大學；何旭輝, 鄒有效1015451703月 13號高速鐵路云峰, 葉祎.0日建造技術(shù)國家工程實驗室發(fā)明專利移

8、動車輛氣中國ZL2012102015 年第 1631614長沙理工韓艷，蔡春有效動力測試裝527545.904月 15號大學聲，張建仁，置日羅昆，李春光，殷新鋒，王武生，陳政清，李傳習，胡揭玄發(fā)明專利用于組合節(jié)中國ZL2015102017 年第 2563469中南大學；鄒云峰，何有效段模型氣動011660.407月 25號高速鐵路旭輝，李力同步分離日建造技術(shù)歡，賀 俊，的模擬裝置國家工程實驗室周佳發(fā)明專利一種區(qū)間風中國ZL2014 年第 1479388東南大學王浩,程懷有效譜模型的建2012101709月 10號宇，郭彤，立方法2732.X日吳明明，王龍花軟件著作高速鐵路橋中國2012SR01

9、2011 年軟著登字第郭文華；劉有效權(quán)梁-列車-風591005月 300383946 號海濤；陳代耦合系統(tǒng)動日海；司學通力分析軟件軟件著作非平穩(wěn)激勵中國2018SR302017 年軟著登字第中南大學；有效權(quán)下車橋耦合639708月 012635492 號中國鐵路隨機振動分日總公司析主要完成人情況1. 何旭輝，排名 1行政職務：副院長技術(shù)職稱：教授工作單位：中南大學完成單位：中南大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點1、2、 3 做出創(chuàng)造性貢獻。2. 韓艷，排名 2行政職務：副院長技術(shù)職稱：教授工作單位：長沙理工大學完成單位：長沙理工大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點1、2、 3 做出創(chuàng)造性貢獻

10、。3. 鄒云峰，排名 3行政職務：技術(shù)職稱：講師工作單位：中南大學完成單位：中南大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點1、2、 3 做出創(chuàng)造性貢獻。4. 郭文華，排名 4行政職務：技術(shù)職稱：教授工作單位：中南大學完成單位：中南大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點2 做出創(chuàng)造性貢獻。5. 王浩，排名 5行政職務：技術(shù)職稱：教授工作單位：東南大學完成單位：東南大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點1 做出創(chuàng)造性貢獻。6. 蘇偉 ，排名 6行政職務：總工程師技術(shù)職稱：教授級高工工作單位：中國鐵路設(shè)計集團有限公司完成單位：中國鐵路設(shè)計集團有限公司對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點3 做出創(chuàng)造性貢獻。7. 李

11、龍安，排名 7行政職務：副院長技術(shù)職稱：教授級高工工作單位：中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司完成單位：中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點3 做出創(chuàng)造性貢獻。8. 敬海泉，排名 8行政職務：技術(shù)職稱：講師工作單位：中南大學完成單位：中南大學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點3 做出重要貢獻。9. 文望青，排名 9行政職務：集團副總工程師技術(shù)職稱：教授級高工工作單位： 中鐵第四勘測設(shè)計院集團有限公司完成單位： 中鐵第四勘測設(shè)計院集團有限公司對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點1、3 做出重要貢獻。10. 劉堂紅，排名10行政職務：技術(shù)職稱：教授工作單位：中南大學完成單位：中南大

12、學對本項目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻：對創(chuàng)新點3 做出重要貢獻。主要完成單位及創(chuàng)新推廣貢獻本項目完成單位共計 7 家：中南大學、中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司、中國鐵路設(shè)計集團有限公司、長沙理工大學、中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司、東南大學、高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室。中南大學為本項目的主要研發(fā)單位，負責本項目總體規(guī)劃和技術(shù)路線安排，組織本項目的計劃于實施，并對研究成果進行全面審定，負責本課題整體成果的推廣與應用。中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司組織本項目的計劃與實施，并負責本項目的成果總結(jié)。中國鐵路設(shè)計集團有限公司完成東南沿海臺風區(qū)高鐵橋梁抗風設(shè)計研究，并推廣本項目研究成果實際工程應用。長沙理工大學、

13、東南大學和高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室為本項目主要參與研發(fā)單位；中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司利用本項目研究成果完成臺風區(qū)大跨高鐵橋梁的抗風設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，并推廣本項目研究成果實際工程應用。完成人合作關(guān)系說明本項成果主要由中南大學何旭輝、鄒云峰、郭文華、敬海泉、劉堂紅，長沙理工大學韓艷，東南大學王浩，中國鐵路設(shè)計集團有限公司蘇偉，中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司李龍安，中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司文望青等人共同完成。項目組成員長期從事橋梁工程科研和建設(shè)（設(shè)計、施工、管理）工作，有長期穩(wěn)定的合作關(guān)系，對強風作用下橋上行車安全保障理論、技術(shù)及應用進行了持續(xù)深入的研究。合作完成人何旭輝、鄒云峰、郭

14、文華、敬海泉、劉堂紅同為中南大學教師，屬同一單位，同一課題組，完成人共同完成項目，合著論文，具有共同知識產(chǎn)權(quán)，共同獲得2017 年度湖南省科技進步一等獎。 主要完成的工作包括：提出了靜止 /移動車 -橋系統(tǒng)氣動耦合特性識別關(guān)鍵技術(shù)方法，解決了風 -車 -橋系統(tǒng)理論分析難以試驗驗證的技術(shù)難題；建立了強風作用下橋上運行車輛傾覆的分析模型，并提出了考慮車橋氣動相互干擾的傾覆系數(shù)計算公式；提出了橋上典型高速列車安全運行車速和風速指標體系；基于風屏障氣動綜合優(yōu)化結(jié)果，給出了橋上典型風屏障最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計參數(shù)；提出了多種新型風屏障，為自適應風屏障的實現(xiàn)提供了途徑。合作完成人韓艷，系長沙理工大學教授，長期

15、從事橋梁風工程、公路風-車 -橋耦合振動等研究，自 2010 年起與中南大學合作承擔了風 -車 -橋耦合振動研究，合著論文，具有共同知識產(chǎn)權(quán)，共同獲得 2017 年湖南省科技進步一等獎。主要完成的工作包括：開發(fā)一種移動汽車模型氣動力測試裝置，有效地模擬車輛在橋梁上的行駛狀態(tài)，并準確地測試車輛的氣動力，探明車輛與橋梁間的氣動干擾規(guī)律，建立了橋上典型車輛氣動力荷載模型；建立了能考慮車橋氣動耦合效應和抖振力空間相關(guān)性等影響的風 -車 -橋系統(tǒng)耦合振動響應分析方法，進一步提高風-車 -橋系統(tǒng)動力響應預測精度。合作完成人王浩，東南大學教授，長期從事結(jié)構(gòu)抗風研究，自2011 年起，與中南大學合作開展了特殊

16、風向場風特性研究工作，合著論文，具有共同知識產(chǎn)權(quán)。主要完成的工作包括：提出了基于小波函數(shù)加權(quán)和法的非平穩(wěn)風速演變功率譜密度函數(shù)估計方法，基于實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，建立了復雜地形的邊界層強風精細風譜模型，針對大跨橋梁的整體振動；建立了一種可考慮TMD影響的車輛 -橋梁空間振動時域分析方法，提出了利用最小峰值優(yōu)化準則確定TMD參數(shù)，并給出了建議取值。合作完成人蘇偉，中國鐵路設(shè)計集團有限公司教授級高工，長期從事鐵路橋梁車 -橋耦合振動研究，自 2010 年起，與中南大學合作承擔了中國鐵路總公司重點課題。主要完成的工作包括：對不同跨度等級、不同設(shè)計速度、不同基礎(chǔ)沉降等條件下的常用跨度橋梁進行車橋耦合分析，得出各工況下常用跨度高速鐵路橋梁、城際鐵路橋梁、客貨共線鐵路橋梁和重載鐵路橋梁的跨中動撓度、跨中加速度、輪重減載率及車體加速度響應值，進而確定了的橋梁豎向設(shè)計基頻、豎向撓跨比、梁端豎向折角、基礎(chǔ)工后沉降及墩臺頂縱向線剛度限值，為強風作用下橋梁動力設(shè)計提供了科學依據(jù)。合作完成人李龍安，系中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司教授級高工，長期從事大跨鐵路橋梁設(shè)計工作，自 2006 年起與中南大學合作承擔了天興洲長江大橋、大勝關(guān)長江大橋、洞庭湖特大橋等大跨橋梁風 -車 -橋耦合振動分析、 新型風屏障氣動優(yōu)化研究， 與中南大學合作承擔了中國鐵路總公司重點課題，共同獲得 2017 年度湖南省科