車輛荷載是一種施加在鋼軌（路面）上的運動荷載，由于鋼軌（路面）不平整，車輛在行駛過程中會產生除了其自身靜荷載之外的附加動荷載，如何準確獲得車輛運動過程中的附加動荷載是進行交通荷載模擬的前提，同時也是研究高速交通路基路面系統動力響應及長期服役性能的關鍵所在。中國現行的路基、路面設計規范考慮了附加動荷載部分的作用，但其附加動荷載大小的確定是基于經驗基礎之上的，設計思想仍是經驗設計法。以往對高速交通路基結構動力響應的研究常常將列車或汽車荷載假定為各種分布形式的移動荷載，忽略了車輛動荷載產生的機制及原因，而大量工程實踐表明，軌道或路面不平整是引起交通附加動荷載產生的主要原因，是研究高速交通路基動力響應的重要因素之一。 

    中國科學院武漢巖土力學研究所盧正、姚海林研究員從車輛組成特點與鋼軌（路面）不平整特性出發，將車輛、鋼軌（路面）、路基結構作為一個整體系統來建模，提出了車輛–不平整鋼軌（路面）–層狀路基結構大系統耦合動力學分析模型，同時考慮輪載與鋼軌（路面）接觸處的不平整位移、鋼軌（路面）本身位移和輪載與鋼軌（路面）之間的相對位移等3種位移的影響，實現了各子系統之間的真正耦合。研究結果表明：車輛在移動過程中，車輛-道路的耦合振動引起的路基動力響應會出現數個峰值，而峰值的出現是由于車輛振動頻率達到車體系統的固有頻率發生共振而產生。通過獲得的共振速度表達式，可以為實際工程中鋼軌（路面）平整度和行車速度的控制提供依據。進一步結合公路交通的特點，建立了一種路基動力響應的擬靜力分析方法，通過與試驗數據和經典結果的比較，驗證了方法的可靠性。繼而自主開發了相關模擬軟件，通過輸入車輛參數以及路面平整度參數，即可利用靜力方法來代替復雜的動力計算，直接為工程設計和評估提供服務。 

    上述成果發表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《International Journal of Geomechanics》、《International Journal of Structural Stability and Dynamics》等期刊上。該研究成果主要受國家自然科學基金（No. 41472286，41472290）和湖北省杰出青年基金（No. 2017CFA056）資助。

圖1 高速列車多自由度車體模型

圖2 軌道-路基結構系統

圖3 軌道不平整波長對路基動應力響應的影響

圖4 附加動荷載隨著不平整波長的變化規律