刚度非对称轨道斜拉桥车–轨–桥耦合振动特性研究

• 吴月星

  博士，讲师，中共党员，现任湖南城市学院教师。长期从事大跨桥梁结构性能优化与智能调控研究，主持湖南省自然科学基金等多项省部级科研项目。近年来在《Structures》《InternationalJournalofStructuralStability andDynamics》《桥梁建设》等国内外期刊发表SCI/EI论文20余篇，其中ESI高被引或热点论文3篇。已授权国家发明专利10余项，部分成果实现转化，累计专利转化金额超过100万元。曾深度参与重庆南纪门长江轨道专用桥、贵州夜郎湖特大桥等国家重大工程项目，推动关键技术的集成应用与工程转化，显著提升了科研成果的工程适应性与实际价值。现为湖南省“绿色建筑与智能建造”重点实验室学术骨干，兼任《Structures》《Scientific Reports》等期刊审稿专家。

本书聚焦城市轨道交通大跨高低塔斜拉桥的 “车–轨–桥” 耦合振动难题。随着此类桥梁在过江通道中广泛应用，其非对称超静定体系引发的轨道刚度不平顺问题日益凸显，叠加长期运营中的桥梁线形演化，导致轮轨耦合振动加剧，严重影响列车舒适性与运营安全，本书正是针对这一工程痛点展开系统研究。

本书以某轨道专用斜拉桥为依托，构建地铁列车、无砟轨道与斜拉桥的三维耦合动力学模型。模型纳入收缩徐变、温度等系统激励因素，经商业软件 UM 验证准确性后，采用显隐式混合积分方法求解。研究重点分析车速、编组、行驶方向的影响规律，量化桥梁刚度不对称性的作用，推导桥轨变形映射关系，并评估系统激励对车辆响应的影响程度。

跨学科的研究方法与实证分析是本书特色，通过对比不同无砟轨道结构的耦合响应差异，提出梯形轨枕无砟轨道为较优选型的结论。其研究成果不仅揭示了大跨高低塔斜拉桥的动力作用机理，更为类似工程的结构设计、轨道选型及运营维护提供了理论支撑与实践参考，对提升轨道桥梁系统的安全性与科学性具有重要现实意义。

随着我国城市轨道交通的快速发展，各类结构新颖、形式复杂的大跨径桥梁不断涌现，尤其是高低塔斜拉桥因其良好的适应性与工程美学优势，逐渐成为城市轨道过江通道的优选结构。该类桥梁属非对称超静定体系，沿线路方向存在显著刚度不均，导致轨道附加刚度不平顺问题加剧。与此同时，长期运营下桥梁主梁在轮载反复作用及收缩徐变、温度等系统激励下逐步发生线形演化，进一步诱发轨道结构的竖向位移，导致钢轨线形退化。

轨道几何随机不平顺、附加刚度不平顺及附加几何不平顺三者相互叠加，使得轮轨非线性接触状态持续恶化，进而激发更为剧烈的轮轨耦合振动，不 仅影响列车乘坐舒适性，更威胁运营安全。大跨高低塔斜拉桥在轨道交通应 用中的“车–轨–桥”耦合振动问题愈发突出，对桥梁结构设计、轨道系统 选择及运营维护提出了更高要求。

本书以某轨道专用斜拉桥为依托，聚焦于铺设不同类型无砟轨道的大跨高低塔轨道斜拉桥体系，构建了包含地铁列车、无砟轨道与斜拉桥结构的三维车–轨–桥耦合动力学模型，系统考虑收缩徐变、温度作用等桥梁系统激励因素，通过商业软件UM验证模型准确性，并采用显隐式混合积分方法进行求解。

研究从以下几个方面展开：一是揭示不同车速、编组、行驶方向对系统动力响应的影响规律；二是量化桥梁刚度不对称性对列车运行安全与舒适性的影响；三是推导桥轨系统变形映射关系，分析不同轨道结构的力学传递特性；四是评估桥梁系统激励对车辆动力响应的影响程度；五是对比不同轨道结构的耦合响应差异，提出结构选型建议。研究表明，梯形轨枕无砟轨道在结构适应性与动力响应控制方面表现优异，是大跨高低塔轨道斜拉桥较为理想的轨道结构形式。

本书的研究成果可为类似工程项目提供理论支撑与工程参考，对提升大跨轨道桥梁系统的设计科学性与运营安全性具有重要的现实意义。