我国车-桥耦合振动的研究现状及发展趋势

自进入21世纪,我国公路与铁路交通在高速化与重载化得到了巨大的发展,而桥梁也朝着轻质、大跨迈进,车-桥结构的动力问题越来越突出,车-桥耦合振动的研究因此获得了许多的关注。在回顾了近20年中国在车桥耦合问题研究的基础上,总结了车-桥耦合振动研究的车辆模型、桥梁模型及数值计算方法,并针对关于地震荷载、风荷载、不平整度和共振等4个方面的车-桥耦合振动研究内容做了系统介绍。并对车-桥耦合需要进一步研究的问题进行了探讨,可对今后车-桥耦合问题的研究提供一定的参考。     

大跨度斜拉桥的公路车桥风耦合振动研究

在横向风荷载的作用下,桥梁会产生风荷载本身引起的动力响应,且风荷载会对车桥系统耦合振动起到激励作用,使车桥系统的动力响应明显增大。结合工程实例,把车、桥、风作为一个整体耦合振动系统,车辆荷载采用随机车流分布荷载,对车桥系统在风速不相等的风速场里的振动响应进行分析与评价,并对桥上汽车进行了动力响应分析和评价。     

大跨度斜拉桥刚度对结构抗风性能的影响研究

为了研究大跨度斜拉桥刚度对结构抗风性能的影响,以泸州市长江六桥(邻玉)为工程背景,基于车-桥耦合振动分析方法,开展研究并分析得到风-车-桥耦合体系中梁、索、塔等构件刚度对结构抗风性能的影响。研究表明:桥梁的横向风振响应与主梁的横向刚度和桥塔横向刚度密切相关,与拉索刚度基本上无关;桥梁的竖向风振响应与主梁的竖向刚度和拉索刚度密切相关,其中,拉索刚度的影响更为显著。     

大跨度公轨合用斜拉桥的车桥风耦合振动研究

大跨度公轨合用斜拉桥在横向风荷载的作用下会加大车辆冲击荷载等动荷载的动力响应,产生较为明显的变形和振动,从而影响到桥梁结构安全、桥上行车安全和旅客乘坐舒适度。主要针对列车-汽车-桥梁-风进行耦合动力学分析,研究耦合体系中桥梁、公路汽车和轨道列车振动响应并开展评价。     

车-桥耦合振动的动力响应分析

通过三角级数叠加法模拟桥面不平顺激励,运用大型有限元通用分析软件ANSYS的耦合技术对车-桥耦合振动进行了分析.提出了5个自由度的车辆模型模拟重车,160个梁单元模型模拟简支梁桥,把车辆和桥梁结构视为2个系统,利用Newmark-β法求解车-桥耦合振动方程组,进行了桥梁结构振动的位移、弯矩的响应研究.得到了桥梁跨中最大位移和弯矩都不是发生在桥梁跨中位置;随着桥面不平顺有明显的变化,随着桥面状况的变差,其响应越来越大.     

车-桥耦合振动条件下T梁桥荷载横向分布分析

通过对车-桥耦合振动力学模型的分析,利用车轮和桥面的位移协调方程将车辆振动方程和桥梁振动方程联立求解并对T梁桥荷载横向分布规律进行了动力分析.结果表明:T梁桥荷载横向分布的动力规律与静力规律相比存在较大差异,荷载横向分布系数为时间的动态变化函数;车-桥耦合振动对于跨中挠度横向分布系数的影响很小,对于跨中梁底正应力横向分布系数、支点剪力横向分布系数的影响则不可忽视;荷载横向分布系数与车辆行驶速度之间虽无明确的变化规律,但是车辆行驶速度对跨中梁底正应力和支点剪力横向分布系数的影响应引起足够的重视;路面不平度等级对荷载横向分布系数的影响较小.     

风荷载-列车-大跨度桥梁系统非线性耦合振动分析

考虑桥梁结构的几何非线性因素,建立了风-列车-桥梁系统耦合振动分析模型.以某大跨度钢桁梁桥为例,计算了静风及脉动风荷载的不同作用效应、风速及车速变化对桥梁位移极值的影响及桥梁几何非线性因素对结构分析的影响.结果表明,进行车桥耦合振动分析时要综合考虑风荷载的动力作用,风速及车速变化对桥梁位移极值均有较大影响,桥梁的线性及非线性位移时程曲线存在明显区别.     

侧向风荷载对人-车-路系统耦合振动的影响分析

采用谱解法模拟脉动风荷载场,根据风洞试验测得的车辆的空气动力参数,计算出作用在车辆侧面的风荷载;将风荷载加到人-车-路耦合振动系统方程中,建立起考虑其影响的系统耦合振动方程;采用人体加权竖向振动加速度均方根值对车辆乘坐舒适度进行评价,并对模拟风速场及侧向风速大小对车辆乘坐舒适度的影响进行讨论.分析表明：静态风减小了人体、车辆振动加速度的最大值,但对其加速度均方根值没有影响;脉动风作用下人体振动加速度最大值略有变化,但均方根值却增大较多;侧向风荷载场对路面结构的振动几乎没有影响;平整路面下乘坐者出现不舒适感的临界风速为55m/s,A级不平整路面出现不舒适感的临界值为15m/s.     

连续弯梁桥车—桥系统动力分析

本文提出连续弯梁桥在车辆动荷载作用下的耦合振动分析方法，将弯梁桥离散成多自由度体系，采用水平曲梁单元及集中质量，计入瑞雷粘性阻尼的影响，车辆力学模型采用双轴分段双线性弹簧-质量的二自由度体系，应用数值方法，分析车辆振动荷载作用下的桥梁动力响应，探讨了车辆行驶速度、桥梁弯道半径、刚度比、桥面不平及频率比对桥梁挠度及弯矩动态增量的影响，编写了计算机程序（Fortran)。数值计算结果与简支曲梁无限自由度解[1]的结果相吻合。     

作用在车—桥系统上风荷载的风洞试验研究

以芜湖长江大桥及高速列车为例,对车-桥系统进行了节段模型风洞试验研究。通过试验确定了桥上有车时,桥本身的气动力参数,以及列车在桥上时,列车本身的气动力参数,用计算机模拟了列车与桥梁所受的风荷载。所得的风荷载加到车-桥系统动力学方程中,可以计算风荷载对车-桥系统的动力作用     

车-桥耦合振动的联合方程分析方法

根据d'Alembert原理和有限元理论,分别建立了车辆和桥梁的振动方程;基于车辆密贴理论,轮底接触点位移由桥梁节点位移采用形函数插值得到,接触点作用力等效成桥梁单元的结点力代入桥梁振动方程,将车辆、桥梁振动方程组联立形成了车-桥耦合振动的总体振动方程;采用数值积分的Newmark-β法求解方程组。结果表明:此方法和经典的迭代求解方法是吻合的。     

简支变连续桥梁的动力性能研究

为保证简支转连续桥梁具有良好的动力工作性能,需要了解其在移动车辆荷载作用下的动力响应。本文针对目前公路上常见的不同跨径、不同宽度、不同截面形式、不同体系的简支转连续桥梁,在不同的常见车辆模型、不同车辆速度作用下,利用车桥耦合振动程序,计算分析该类桥梁在车辆荷载作用下的动力响应,并通过振幅、加速度等指标来评价其动力工作性能。     

开县赵家大桥振动特性研究

桥梁在车辆作用下的振动是一种多因造成的振动,与桥梁动力特性、车辆特性、车速、车-桥耦合作用、桥面平整度等诸多因素有关。通过对导致赵家大桥冲击振动的实测数据的系统分析和研究,结果表明:车辆冲击对于非特大跨桥梁,当车速在10~20 km/h时对桥跨会造成更多的动响应,冲击系数峰值出现在10~20 km/h;当大桥的自振频率与试验用三轴车自振频率相接近时,即使在桥面平整度良好的情况下,车-桥频率耦合振动也容易导致冲击振动异常。汽车冲击振动异常的影响因素众多,而多种因素的联合作用是导致大桥异常振动的决定性因素,这种联合作用效应不是各因素简单的加权关系,当多种条件处于耦合匹配状态时,会使冲击系数成倍的增大。     

大跨度悬索桥竖弯涡振条件下驾驶员行车视线研究

为研究大跨度悬索桥竖弯涡振条件下桥上驾驶员的行车视线，首先，基于传统的风-车-桥耦合振动分析理论，引入桥梁涡激力数值模型，自主编制了涡振条件下风-车-桥耦合振动分析程序；其次，以有3个半波的涡振振型为例，借助几何作图法推导了桥面发生涡振时车内驾驶员视线盲区的计算公式；最后，基于已建立的涡振条件下风-车-桥耦合振动分析程序和驾驶员视线盲区的计算公式，以一座发生竖弯涡激共振的大跨度悬索桥为工程背景，分析了车型、车速和入桥时刻对车内驾驶员视觉盲区最大高度、盲区总持时和盲区占比的影响规律.研究结果表明：驾驶员盲区最大高度呈现周期性变化，其周期约为车辆前进一个涡振半波长度所需要的时间；车速变化不会影响驾驶员盲区的最大高度，但车辆类型不同则驾驶员目高不同，车内驾驶员目高越低，驾驶员前方视觉盲区最大高度也就越高；车重会进一步增加驾驶员前方视觉盲区的最大高度；车辆入桥时刻对驾驶员盲区总持时的影响很小，但驾驶员盲区总持时随着车速的提高而降低；车辆入桥时刻或车速对驾驶员盲区占比的影响小，而车型则对驾驶员盲区占比的影响显著，其中小轿车驾驶员的盲区占比最高（21%左右），大客车驾驶员的盲区占比最小（12%左右...     

轮胎式轨道交通车辆动力学研究现状与挑战

总结了几种典型轮胎式轨道交通车辆动力学问题的研究现状，包括跨坐式单轨车辆、悬挂式单轨车辆、胶轮路轨车辆、胶轮有轨电车和虚拟轨道车辆，探讨了轮胎式轨道交通车辆动力学未来的研究内容。研究结果表明:跨坐式单轨车辆动力学研究集中于抗侧倾稳定性、曲线通过性能和车-桥耦合振动，根据跨坐式单轨车辆抗侧倾稳定性变化规律提出的临界侧滚角理论阐明了稳定轮和导向轮预压力的设置原则，给出了稳定轮和导向轮预压力与运行舒适度、曲线限速之间的联系，跨坐式单轨车辆提速的关键是开发性能更优的轮胎，并控制由于运行速度提高所引起的振动恶化；悬挂式单轨车辆动力学研究集中于车辆运行性能和车-桥耦合振动，其倾摆特性和横风引起的倾摆稳定性是悬挂式单轨车辆的特有动力学问题，由于车-桥耦合振动引起的钢质轨道梁低频噪声是有待研究的问题；胶轮路轨车辆在国内的研究刚刚起步，现阶段的主要问题是改善车辆的横向平稳性；胶轮有轨电车动力学研究集中于车辆运行性能和导向轮/轨关系，研究难点在于阐明其导向稳定性的机理和影响因素；作为一种新型轨道交通车辆，虚拟轨道车辆提出了许多新的动力学研究问题，包括循迹控制、机械架构与循迹控制策略的匹配性、纵向力分配、分布式驱动等，或将成为轮胎式轨道交通车辆动力学研究的新热点。      

3种车桥耦合振动分析模型的比较研究

应用达朗贝尔原理和欧拉-贝努利梁假设，推导了简支梁在移动质量、四分之一车模型和二分之一车模型3种不同车辆模型下的车桥耦合振动方程，比较了在不同速度下的桥梁动态响应，结果表明，3种车辆模型都可以反映出在移动荷载作用下车桥耦合振动的总体规律，但考虑车体弹簧和阻尼的影响能更充分体现车桥耦合效应。     

客运专线车-线-桥垂向耦合系统振动的特性

近年来,高速铁路在我国得到了快速发展,由高速列车引起的线、桥振动问题越发突出.针对客运专线车-线-桥系统的特点,利用有限元方法建立了车辆一无砟轨道-桥梁耦合模型.鉴于模型的复杂性,将该模型分为列车一无砟轨道系统和无砟轨道-桥梁系统两个子系统来研究,两个子系统通过轮轨相互作用力耦合.根据Hamilton原理,可推导出两个...     

三线合一、三塔悬索桥风-车-桥耦合振动性能对比

以某三线合一、三塔悬索桥的2种设计方案(钢箱桁和钢桁方案)为工程背景,通过车桥系统节段模型风洞试验,测试了车辆和桥梁的三分力系数,并基于风-车-桥系统空间耦合动力学模型,采用自主研发的桥梁分析软件BANSYS,对比分析了该桥的结构动力特性与风-车-桥耦合振动性能。分析结果表明:三线合一、三塔悬索桥结构自振频率较低;车辆气动力受轨道位置的影响较大,钢桁方案迎风侧车辆阻力系数约为钢箱桁方案的2.2倍;当风速为0时,桥梁、车辆的动力响应总体上是随车速的增大而增大,在同一车速下,钢桁方案的桥梁位移较钢箱桁方案大,主要是由于钢桁方案的桥梁整体刚度略弱于钢箱桁方案;当考虑风速影响时,桥梁的横向响应随风速的增大而显著增大;车辆位于迎风侧,风速为25m·s~(-1)时,钢箱桁方案和钢桁方案的桥梁横向位移约分别为风速为15m·s~(-1)时的位移的2.4倍和3.8倍,横风对桥梁的横向响应起主导作用;同一风速时钢桁方案的桥梁响应总体上较钢箱桁方案大;同一方案时车辆响应随风速的增大而增大,当风速达到25m·s~(-1)时,车辆动力响应显著增加,相比15m·s~(-1)时最大增加幅度为71.6%。     

横梁效应对车-桥耦合振动的影响研究

提出了由横梁效应引起的附加不平整度的简化计算模型,给出了考虑横梁效应的车-桥耦合振动问题求解方法,解决了模态综合法因采用截断模态无法反映桥梁结构如横梁、桥面板等局部构件振动情况的问题,并通过算例对横梁效应考虑与否进行了对比分析,同时引入描述横梁效应桥面系刚度变化幅度的无量纲参数γ,研究了其对考虑车-桥耦合振动的影响。研究结果表明:横梁效应与车-桥振动系统存在耦合关系,其效应值随参数γ增加而增加,呈高次变化规律。     

磁浮列车单铁悬浮车桥耦合振动分析

为研究单铁悬浮车桥耦合振动,将悬浮控制系统、车辆结构、弹性轨道梁及桥梁安装系统作为整体系统,建立整体系统的磁浮列车的悬浮控制-弹性桥梁-机械结构垂向耦合振动模型,以不同频率的外力激扰模拟磁浮列车不同的速度下对桥梁的作用,分析了不同梁型在整体系统耦合条件下的跨中挠度与振动加速度的变化。研究结果表明:单铁悬浮稳定后,简支梁跨中挠度约为两跨连续梁悬浮处挠度的2.5倍;以200km.h-1车速通过桥梁时其挠度略小于400km.h-1车速通过工况,但前者再次达到稳定状态所需时间约为后者的1/3;车辆以相同速度通过桥梁时,连续梁悬浮处跨中挠度约为简支梁的40%,且前者振动加速度小于后者;仿真过程中桥梁安装临界刚度范围为(5.5～6.5)×107 N.m-1;两跨连续梁动力学性能较简支梁更为优秀。