基于风速风向联合分布的桥面侧风所致车辆事故概率性分析

采用风速概率密度函数和风向频度的乘积表示联合概率密度函数,用极大似然法和概率曲线相关系数法相结合的逐步迭代估计法估计杭州湾跨海大桥桥位处桥面高度各风向的有效最优概率分布类型及参数;利用已建立的风-汽车-桥梁系统安全性分析框架计算得到各个方向下车辆发生事故的临界风速;为了确定桥面局部风环境的状况,在同济大学TJ-3风洞中进行了杭州湾跨海大桥桥面风环境风洞试验研究,并引入等效桥面风速和影响系数以考虑桥梁结构绕流和附属构造物对行车高度处风速的影响;最后,对杭州湾跨海大桥的行车安全进行了基于风速风向的概率性分析,并研究了增设风障对行车安全的影响。结果表明:增设风障是一种非常有效的提高安全行车概率的方法;杭州湾跨海大桥全桥采用70%透风率的风障完全可以满足车辆安全行驶的要求。     

风障对平行梁桥面风环境的改善作用研究

现阶段山区公路混凝土单箱梁、平行箱梁的风障设置研究存在不足。本研究采用计算流体力学(CFD)中的三维大涡模拟(LES)方法,针对不同风障布置形式下的混凝土单箱梁、不等间距平行箱梁的桥面风环境进行了研究,建立了有限体积模型。研究了来风上下游侧风障对单箱梁桥面风环境的影响,发现在单箱梁来风上游侧布置的风障能够显著降低桥面风速,而在来风下游侧布置的风障则无法起到有效的挡风作用。因此,当平行箱梁间距过大时,来风下游侧的箱梁由于缺乏上游侧风障的保护,桥面风环境恶化。针对这一问题,研究了平行箱梁内侧未加装风障时的桥面风环境,计算了车道平均风速和风速折减系数。研究发现,下游侧箱梁桥面平均风速随着平行箱梁间距的增大而增大;当间距增大到一定程度后,下游侧箱梁由于进入了上游侧箱梁尾流的充分发展区,造成下游侧箱梁桥面平均风速增高、风场紊乱。进一步研究了平行箱梁内侧加装风障后的桥面风环境,发现下风侧箱梁桥面平均风速大幅减小,上游侧梁的尾流涡对下游侧箱梁桥面风环境造成的不利影响也受到了有效的抑制。综上所述,单箱梁下风侧安装的风障不能改善桥面风环境、当平行箱梁间距超过2倍梁宽时,应在平行箱梁内侧加装风障。     

基于行车安全的侧风多发区路堤风障形式研究

路堤的阻挡作用致使路堤顶面局部出现风速过大的情况,影响行车安全.为了研究适合于侧风多发区路基的合理风障形式,分别建立了不透风风障和透风式风障的有限元模型,通过计算分析得到了不同工况下的风速场.依据风速的降低程度分析了基于行车安全的风障的合理形式.研究结果表明:不透风风障和透风式风障应高于2m∶5 m高路基可以采用65％及以下空隙率风障,而对于10 m高路基可以采用75％及以下空隙率的风障;相同空隙率条件下,风障条间距的大小对风速场影响不大.     

斜风作用下风-车-桥非线性分析系统建立

为了从风作用方向的三维模拟和系统非线性2个角度实现风-车-桥系统的全三维高真实度模拟,首先建立斜风荷载处理方法,采用平均风分解理论对桥梁斜风进行分解,形成桥梁斜风荷载,把桥梁风作用方向模拟域由垂直于桥梁纵轴线的二维平面扩展到三维空间;采用矢量合成法则和线性插值方法,依据车辆位置函数确定桥上车辆任意位置和时刻的合成风速,并基于风洞试验获取车辆气动力系数,形成车辆斜风荷载。然后基于已建立的非线性分析系统,融合斜风荷载处理方法,构建斜风作用下的风-车-桥全三维非线性分析系统,并实现动态可视化。最后采用建立的分析系统,对系列风偏角工况下的桥梁空间动力响应和车辆安全进行分析和评价。结果表明：斜风作用下,桥上车辆事故指标值及桥梁位移响应随着风偏角增大总体上均呈现先减小后增大趋势,且极值均出现在非90°的锐角区;基于风向垂直于桥跨方向的假定所进行的桥梁设计和车辆安全性评价结果偏于不安全。     

大跨悬索桥桥面风致行车安全评价与对策

在较大的侧风作用下汽车行驶在桥面时易发生行驶偏向问题,尤其在桥塔区域,风速的剧烈变化极易导致车辆事故。本文以虎门二桥工程中的泥洲水道大跨悬索桥为背景,通过风致车辆侧偏动力响应分析和风致侧偏响应评价标准,建立了不同车速条件下代表车型的车辆侧偏安全临界风速;采用虚拟风洞针对主桥、引桥二维绕流及桥塔区桥面的三维绕流进行了模拟,提取了表征桥面风环境的风速影响系数,对设置风障前后情况的对比分析,证明了风障的有效性;通过风致侧偏安全评估给出了代表车型不同车速下的安全行车临界风速,通过风障结构措施和交通管理措施的结合,可使运营期桥面通行安全风速达到9级及以上,并建议了大桥风雨天运营安全控制标准,研究成果可为类似工程借鉴和参考。     

城市轨道交通U型梁运营安全性分析

以U型梁为主要研究对象，建立车辆-桥梁耦合动力分析模型，研究了车速、车辆类型和钢弹簧浮置板对高架U型梁桥动力响应的影响，分析了车辆和桥梁结构的动力特性，并对地铁列车通过U型梁桥系统时的行车安全性进行了评估。计算结果表明：车辆在50~100 km/h速度运行时，均满足行车安全性的要求，车辆振动会随着速度的增加而增加；从U型梁的行车安全性角度来分析，选取A型车比B型车更为合理；加入钢弹簧浮置板后，可减小桥梁竖向位移和竖向加速度，但会增加列车振动响应，在钢弹簧浮置板设计过程中，需兼顾车辆和桥梁的运营安全性；改变钢弹簧的刚度对桥梁振动响应的影响较小。     

泰州大桥桥塔区桥面风环境改善措施分析和风障研究

以泰州大桥桥塔区桥面风环境为研究对象,针对桥面横风下的原设计方案及加设不同风障的多种情况,采用数值风洞技术进行了仿真计算与分析,得出了适用于泰州大桥的风障布置方案;通过风障障条风荷载数值模拟、风障结构风荷载作用有限元建模以及风障结构风荷载响应分析,验证了所设计的风障方案的结构安全性满足相关规范要求。     

考虑车辆位置影响的风-车-桥系统耦合振动研究

风-车-桥耦合振动系统中车辆位于桥道的气动绕流之中，车辆所受气动力与车辆位置密切相关。首先测试了车辆位置对车辆及桥道气动力的影响，建立了空间耦合的风-车-桥系统分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景，采用自行研发的桥梁结构分析软件BAN-SYS，对比分析了车辆位于桥道迎风侧和背风侧时风-车-桥系统的耦合振动情况。分析结果表明，风-车-桥系统耦合振动分析中考虑车辆位置的影响是必要的。     

联合风场作用下车桥系统风荷载数值分析

为确定车速和风速对高速铁路桥梁车桥系统风荷载的影响,以兰新第2双线铁路32m简支箱梁和CRH2型高速列车为对象,采用Star CCM+软件建立列车和桥梁的全尺寸模型,分别对列车风场和联合风场中的车桥系统进行模拟,分析车辆风荷载和桥梁风荷载随车速和风速的变化规律。结果表明:列车风场中,随着车速的增加,车辆的侧力逐渐增大,头车和尾车的升力逐渐减小,力矩逐渐增大,桥梁的侧力、升力和力矩逐渐增大,但数值均较小;联合风场中,随着车速的增加,头车的侧力和力矩逐渐增大,尾车的升力和力矩逐渐减小,桥梁风荷载与车速的相关性相对较弱;随着风速的增加,列车的侧力和力矩逐渐增大,头车的升力先增大后减小,尾车的升力先减小后增大,桥梁的侧力和力矩逐渐增加,升力先减小后增大。     

隔离带对侧风条件下超车过程车辆气动力的影响

利用动网格和滑移界面技术进行侧风条件下厢式货车超车过程数值模拟,以研究道路中央隔离带对车辆气动力影响规律。结果表明:无侧风时,隔离带对车辆气动力影响较小;但在侧风条件下,隔离带对车辆气动力产生了较大影响。密集和稀疏两种隔离带皆使主超车所有气动力和被超车的侧向力和升力减小,而被超车的气动阻力在稀疏隔离带作用下减小,在密集隔离带作用下增大。     

风屏障对桥上车辆行驶安全性的影响

风屏障已成为保障大风灾害环境中车辆行驶安全性的重要措施之一。为优化风屏障设计方案,首先采用CFD模拟方法分析了风屏障设计参数对公铁组合桥梁桥面流速分布特性的影响;其次,采用风-汽车-桥梁耦合振动分析方法,进一步分析了风屏障设计参数对车辆行驶安全性的影响程度。结果表明:风屏障对保障强风区过桥车辆的安全性具有重要的意义,透风率50%、高度2m的风屏障能达到最优的防风效果。     

多线铁路桥双车交会的风-车-桥耦合振动研究

为研究风荷载下多线铁路桥双车交会的动力响应,以某六线双层铁路斜拉桥为背景,采用桥梁结构分析软件BANSYS建立有限元模型,对不同双车交会组合进行风-车-桥系统耦合振动分析,计算各工况下车辆和桥梁的动力响应,并研究双车交会横桥向间距、车桥相对位置和风速对车辆和桥梁动力响应的影响。结果表明:双车交会过程中,迎风侧车辆的加速度变化不明显,背风侧车辆的加速度明显变大;双车横桥向间距对背风侧车辆的横向加速度有不同程度的影响,竖向加速度有明显突变;横桥向间距对桥梁的横向位移略有影响,对竖向位移几乎无影响;双车横桥向间距相同时,靠近来流方向车道交会时车辆加速度比远离来流方向车道交会时大;迎风侧车辆的加速度随风速增大而增大;桥梁跨中横向位移随风速增大而变大,竖向位移和扭转角受风速的影响较小。     

风-浪联合作用下大跨度桥梁车-桥耦合振动分析

为研究波浪对跨海桥梁风车-桥耦合振动系统的影响,针对跨海桥梁所处风大、浪高的极端环境,建立了波浪-风-列车-桥梁动力模型,将风场视为空间相关的平稳高斯过程,高速列车采用质点-弹簧-阻尼器模型模拟,精细化全桥模型通过有限元方法建立,考虑风-列车-桥梁之间的耦合作用,波浪作为外部荷载施加到该耦合体系中。以主跨532 m某海洋桥梁为例,通过自主研发的桥梁科研软件BANSYS （Bridge Analysis System）,分析了波高、风速、车速对耦合模型车辆和桥梁响应的影响。结果表明：风车-桥耦合振动体系的车辆和桥梁响应受波浪影响显著,车辆和桥梁响应在与波浪荷载一致的方向增加显著,15 m·s^-1风速下,考虑波浪影响的车辆横向加速度最大值约是不考虑波浪时的1.3倍,考虑波浪影响的跨中横向位移最大值约是不考虑波浪时的22倍,而在非一致方向波浪对车-桥响应的影响较小;不同风速下,波浪对车辆横向加速度影响显著,考虑波浪影响的车辆横向加速度约是不考虑波浪时的1.2倍,而车辆竖向加速度、轮重加载率、倾覆系数等指标主要受风速的影响;波浪基频与桥梁横向位移响应谱主峰频率一致,波浪已成为影响桥梁横向位移响应的控制因素;波浪减弱了车速对车-桥响应的影响,随着波高的增加,车辆和桥梁响应对车速的变化更不敏感。     

跨海长桥风致行车安全研究

基于风作用下车辆模型行驶极限状态分析获得了相应的安全行驶临界风速,应用概率统计方法建立了桥位风速统计和极值风速概率分布模型,桥面风环境测速风洞试验给出了自然风与桥面行车风环境的关系,进而评估了自然风作用下车辆不同车速条件下的桥面行驶安全性。采用上述评估方法针对杭州湾跨海大桥的研究,表明了风障措施提高桥面行车安全的有效性。     

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响，以某四塔公铁两用斜拉桥为背景，进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载，并通过桥梁和列车节段模型风洞试验，测得计算所需气动力系数；在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型，研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明：突风效应会导致列车横向位移达到最大值，遮风效应会使列车横向加速度达到最大值；随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加，列车动力响应随之增加；风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数，并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大；仅在风速不大于10 m/s时，列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。     

强风环境下斜拉桥车桥系统动力响应分析研究

基于模态综合分析理论,在推导复杂车辆模型刚度、阻尼矩阵和建立车桥系统风荷载模型的基础上,提出一种全面考虑动力风载效应的车桥系统动力响应分析方法,结合桥例对强风环境下的斜拉桥车桥系统的动力响应进行了分析研究。结果表明:强风下桥梁竖向位移响应受风载影响显著,横向位移响应主要由风荷载控制;低风速下桥梁的振动加速度响应受风荷载影响较大;风荷载引发的桥梁振动对车辆竖向位移和加速度响应影响较大,横向响应由风载和桥梁响应控制,风载对车桥系统动力响应影响明显。所提出的方法具有较高的精度和分析效率,可为其他类型大跨桥梁的相关分析提供参考。     

风环境下大跨度斜拉桥上的车辆驾驶舒适性评价

建立了风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆驾驶舒适性评价体系.在综合考虑汽车-桥梁系统空间耦合关系的基础上,提出了能够考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车-桥梁耦合振动、系统的时变特性以及结构几何非线性和气动荷载非线性影响的风-汽车-桥梁系统空间耦合分析模型,该模型可以预测风环境下桥梁上通行车辆的行驶安全性及驾驶舒适性;建立了车辆驾驶员位置处驾驶舒适性评价方法,并采用ISO 2631-1-1997标准对不同路面粗糙度下行驶于杭州湾跨海大桥的车辆驾驶舒适性进行了评价.评价结果表明:路况越差,车辆的驾驶舒适性越差,且所计算工况下车辆的竖向和侧向驾驶舒适性均满足ISO 2631-1-1997标准.     

某斜拉桥桥塔区行车风环境研究

采用数值风洞的方法,对某斜拉桥桥塔区三维流场数值模拟,通过在无监控室、无风障、有风障三种情况下桥塔区行车高度风环境的研究,结果表明:无风障时,由于受到塔柱的影响,桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈,且桥塔附近增大效应明显;无监控室时,风速影响系数最大值变化不大,监控室对桥塔区行车风环境影响较小;在设置风障后,风速影响系数曲线变化趋缓,桥塔附近风速影响系数突变得到有效消除。设置风障能够有效保障大风环境下行车安全。     

汽车侧风响应影响的仿真与试验研究

为对车辆在侧风条件下的动态响应特性进行研究,首先依据ISO 12021进行车辆侧风条件下的动态响应试验,研究车辆在道路试验场侧风条件下侧向位移、偏航角等车辆侧风动态响应指标的变化规律,然后对车辆流场和所受气动力进行分析,找出影响气动力的关键因素,并采用双向耦合方法进行侧风响应仿真与试验对比分析,最后,分析气动力对车辆侧风响应的影响及机理,结果表明,在气动分力中,侧向力是影响车辆侧风动态响应的关键因素,通过优化外形减小车辆所受侧向力可提高车辆的抗侧风性能。     

基于实测车流的中小跨径桥梁车载动力效应极值研究

为评估现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平,提出了车辆荷载冲击作用下桥梁效应极值外推方法。基于高速公路车辆动态称重数据,研究了简支T梁桥的车载动力效应极值,校验并评估了现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平。研究结果表明:基于实测数据的随机车流模型融入了车辆的概率信息,为桥梁车载动力效应极值的概率外推提供了有利条件;欧洲与英国规范的设计车辆荷载效应的重现期远大于美国和中国设计规范;随着桥梁跨度的增加,欧洲与美国荷载模型的重现期随着桥梁跨度的增加而减小,英国荷载模型随桥梁跨度的增加呈先增加后减小的趋势,中国荷载模型的重现期随桥梁跨度增加而增加。