常泰长江大桥主桥风-车-线-桥耦合分析

常泰长江大桥为主跨1 176 m的双塔双索面公铁两用双层斜拉桥。为研究侧风作用下该桥的动力响应以及桥上高速列车的行车安全性,采用WTTBDAS V2.0软件建立风-车-线-桥耦合分析模型,分析不同风速及车速下单、双线CRH2列车通过桥梁时车辆和桥梁的动力响应。结果表明:桥梁主跨跨中横向位移和横、竖向加速度随风速增大而增大,竖向位移受风速影响较小,车辆响应随风速增大而增大;桥梁主跨跨中横向位移和加速度响应在风速小于20 m/s时受车速影响不大,竖向位移和加速度随车速增大而增大;车辆的响应随车速的增大而增大,当风速达20 m/s后,车辆的动力性能主要由风速控制;单、双线行车时,桥梁的竖向动力响应差异较大,车辆的动力响应差异较小。根据风-车-线-桥耦合分析结果,结合现有的安全性和舒适性评价指标,提出大风天气下桥上行车的风速-车速阈值,当横向平均风速30 m/s时,应封闭线路。     

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。     

冰击荷载作用下高速车辆-轨道-桥梁系统耦合振动分析

为了探明流冰撞击桥墩对高速车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学行为的影响,采用精细化有限元模型模拟了流冰撞击桥墩的过程,计算获得了不同冰排特性下流冰撞击力时程曲线,基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,以流冰荷载作为外激励,建立了高速车辆-轨道-桥梁-冰击动力学分析模型。以5跨32 m简支梁为例,通过研究不同冰击荷载作用下桥梁结构的动力学响应,得到了对桥梁结构影响最大的冰击荷载,分析了在该冰击荷载作用下桥梁子系统和车辆子系统的动力学响应,最后探讨了冰击荷载对桥上列车走行性的影响。结果表明：在冰击荷载作用下,冰排厚度、流冰撞击速度和冰排抗压强度是影响桥梁动力学响应的关键参数,桥梁跨中和墩顶横向位移与加速度随冰排厚度和抗压强度的增加而增大,且随流冰撞击速度的增加呈先增大后减小趋势;流冰撞击桥墩对车辆-轨道-桥梁系统动力学响应影响显著,在冰击荷载作用下主梁横向位移和加速度增幅较大,跨中横向加速度主频与桥梁横向自振频率接近,表明流冰撞击可能会加剧桥梁横向自振频率附近的振动;车体横向振动加速度、脱轨系数、轮轨横向力和轮重减载率在流冰撞击作用下均明显增大,增幅超过2倍,可见流冰撞击对高速列车行车安全性和乘坐舒适性有较大影响。     

地震与风联合作用下大跨桥梁车-桥耦合振动分析

为了研究大跨桥梁在风、车及地震联合作用下的动力响应,在已有风-车-桥耦合振动分析程序的基础上,利用大质量法模拟桥梁受到的地震作用,建立了地震-风-车-桥耦合振动分析的数值模拟平台,通过质量-弹簧-阻尼系统模拟车辆模型,利用有限元方法建立桥梁模型,采用谱表示法模拟路面粗糙度、风场和地震动,通过分离迭代方法求解地震-风-车-桥耦合振动系统的动力响应。以主跨1 088 m的苏通大桥为例,基于建立的地震-风-车-桥耦合振动分析平台,计算分析了日常风荷载与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应;并进一步探究了地震动完全空间变异性对地震-风-车-桥耦合系统车桥动力响应的影响。结果表明：处于日常运营阶段的大跨桥梁结构（仅承受风和车辆荷载）受到突发地震时,桥梁和桥上行驶车辆的动力响应将急剧增加,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20 m·s^-1的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%。虽然地震动是车桥耦合振动的控制荷载,但是日常风荷载对大跨桥梁车桥振动的影响不可忽略。地震发生后,车辆的横向加速度极值超过0.5g,竖向加速度极值接近1g,可能引起车辆的侧滑或翻滚,车辆的运行行为有待进一步研究。与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动完全空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化,可见在地震动输入时需要考虑完全空间变异性来保证得到的车桥响应结果偏于安全。     

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。     

车辆气动力展向相关性传递函数及其对桥上运动车辆响应的影响

为研究运动车辆气动力的展向相关性对桥上运动车辆响应的影响,在分析运动车辆顺风向和竖向脉动风速谱的基础上,发展出一种新型的运动车辆脉动风速相干函数形式,推导出与顺风向和竖向脉动风速对应的运动车辆气动力的展向相关性传递函数,并根据“余弦规则”得到作用在运动车辆上的抖振力谱。通过建立列车-轨道-桥梁多体系统耦合振动仿真模型,以单节列车在典型的高速铁路桥梁上行驶为例,对比不同车速、不同风速与不同地表类型时,运动车辆气动力的传递函数对桥上运动车辆响应的影响。研究结果表明：当考虑上述传递函数时,车辆响应的均方根均有不同程度的降低,其中对车体横向和竖向加速度均方根的影响最为显著;当车速为40 m·s^-1时,在考虑与不考虑传递函数情况下,车体横向加速度均方根的相对误差高达40.6%,车体竖向加速度均方根的相对误差也高达36.6%;随着车速的提高,各车辆响应均方根的相对误差均逐渐变小;随着风速的提高,轮重减载率和轮轨垂向力均方根的相对误差均逐渐变大,而车体竖向Sperling指标和轮轨横向力均方根的相对误差却先增加后减小;从A类地表类型到D类地表类型,车体加速度均方根以及车体Sperling指标的相对误差均逐渐增大,而轮轨力均方根、脱轨系数均方根、轮重减载率均方根的相对误差均先增大后减小。     

沪通长江大桥主航道桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究沪通长江大桥主航道桥在侧风下桥上行车的车辆抗风安全性,提出风-车-轨-桥系统耦合振动分析框架。该系统动力学模型不仅考虑了轨道结构的参振,其采用的轮轨动态耦合模型还突破了传统轮轨为刚体并始终保持密贴的假定。此外,气动荷载还考虑了桥梁、车辆的存在对彼此的影响。针对沪通长江大桥主航道桥,利用自主研发的WTTBDAS软件对不同车速、风速下系统的动力响应进行分析和讨论,结果表明:车速和风速均对系统动力响应有较大的影响,当风速达到20m/s后,车辆的运行安全性和乘坐舒适性主要由风速控制。根据相应的动力性能评价指标,得到了大风天气下桥上行车的车速-风速阈值。     

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。     

风浪荷载共同作用下大跨度刚构桥动力响应规律研究

风浪作用在结构上会对结构产生动力作用,从而影响到结构的内力及响应。为研究风浪作用下大跨度连续刚构桥的动力响应规律,利用通用有限元软件ANSYS建立了刚构桥的有限元模型,并以经典理论为基础,在风浪耦合关系的基础上建立了风场和波浪场的数值模型,此数值模型在抖振力响应的基础上考虑了波浪对风场的影响。对大跨度刚构桥在风浪荷载共同作用下的动力响应结果进行了分析。研究结果发现:对比风荷载、波浪荷载单独作用及风浪荷载共同作用下桥梁不同位置的横向位移响应结果,墩顶位移相对增幅要大于跨中位移相对增幅,波浪荷载作用对桥梁横向位移响应的影响从桥墩到跨中依次减小;对比风荷载、波浪荷载及风浪荷载共同作用下桥梁墩底剪力及墩底弯矩响应结果,波浪荷载作用对墩底横向剪力、墩底纵向剪力、墩底绕横桥向弯矩和绕纵桥向弯矩均有明显影响,波浪荷载作用对墩底剪力的影响很大,对墩底弯矩的影响较大;风浪荷载共同作用并不是风荷载、波浪荷载单独作用下响应的简单叠加,波浪形成时会对风场产生影响,除了随机湍流风速以外,波浪会引起与波浪同步的上方气流速度变化,在风浪场中的风速模拟时,需要考虑波浪对上部气流的影响,因此对横向位移响应影响较大的主要作用为风荷载作用,但并不意味着可以忽略波浪荷载的作用。     

竖弯涡振作用下桥上列车行车安全舒适性研究

为研究高速铁路桥梁竖弯涡振对桥上列车行车安全舒适性的影响,以某大跨公铁两用斜拉桥和CRH2型动车组为背景,进行风-车-轨-桥耦合系统振动分析。基于ANSYS与SIMPACK联合仿真平台,引入桥梁涡激力数值模型,建立风-车-轨-桥耦合系统振动模型,对比10 m/s平均风速下主梁发生与未发生竖弯涡振时桥梁和列车的动力响应,并分析不同列车速度的影响。结果表明：竖弯涡振会加剧桥梁和列车的竖向响应,而列车的存在会使发生竖弯涡振时的桥梁竖向位移和加速度分别降低31.8%和42.4%,对主梁竖弯涡振具有一定的抑制作用;主梁发生竖弯涡振时列车行车安全性指标峰值和竖向舒适性指标(竖向加速度和竖向Sperling指标)峰值明显大于未发生竖弯涡振时,并均随着车速的增大而增大;当车速超过230 km/h时,列车轮重减载率超过安全限值0.6,当车速超过200 km/h时,桥上列车竖向加速度超过安全限值1.3 m/s²。     

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。     

横撑及桥面系对钢管混凝土拱桥动力响应的影响分析

横撑和桥面系作为钢管混凝土拱桥的重要组成部分对结构整体动力响应会产生很大的影响。以茅草街大桥为例,建立了中承式钢管混凝土拱桥不同横撑和桥面系布置形式的有限元模型,采用三向地震波同时输入的形式,得到6种工况在相同地震波作用下的不同动力响应,提取出拱肋的弯矩和位移包络图,并对面内弯矩、面外弯矩、竖向位移、横桥向位移进行了比较和分析。结果表明,桥面系对拱肋的响应影响很大;拱肋与桥面系结合处位移、内力均较大,在设计中应予以关注;在保证横向刚度的前提下,横撑需进行优化布置,以使得拱桥动力响应更加合理安全。     

阵风下高速列车-独塔斜拉桥耦合振动分析

大跨度桥梁一般较柔且桥面较高,车辆与桥梁间耦合作用明显,桥面风速较大时车辆风荷载也将增大,列车-桥梁系统抗风安全性成为重要课题。为了研究阵风环境下高速列车驶过独塔斜拉桥时的耦合振动特性,利用有限元方法建立多自由度有限元独塔斜拉桥子系统（转为线性弹性体）,利用多刚体动力学方法建立CRH3四动四拖八辆编组高速列车子系统,在两子系统基础上,搭建起高速列车-独塔斜拉桥刚-柔耦合大系统。利用线性滤波法并考虑空间竖向和横向相关性生成了空间脉动阵风,其作为外部激励输入车-桥系统中,选用Park数值积分方法进行了求解。在此基础上,通过时域/频域方法分析阵风激扰对车-桥系统的影响,并继续研究风攻角、行车速度对车辆安全运行的影响,并得到相应条件下的车速限值。研究结果表明：利用有限元与多体动力学方法结合的刚-柔耦合系统同时阵风作为激励输入,可以有效模拟风-车-桥系统;空间脉动阵风使得车-桥系统各动力学响应明显加剧,并激起车辆及桥梁的低频振动;车速提高使桥面低频及车辆中低频振动被激起,振动向更高频率移动;风攻角在60°~90°时影响最大;在预设条件下,车速为230 km·h^-1时,列车轮重减载率已超过安全限值（0.8）,此时列车在桥梁上行驶安全已无法得到保证。     

风-车-桥耦合振动研究现状及发展趋势

为推动风-车-桥耦合振动理论和应用研究的进一步深入开展,从分析框架、气动干扰、评价准则和大跨桥梁设计荷载4个方面系统梳理风-车-桥耦合振动国内外学术研究进展和热点前沿,并探讨研究不足和发展趋势。分析系统方面,首先从风作用模拟、耦合关系角度综述风-列车-桥分析系统由简化到精细的研究历程,然后沿车辆元素的精细研究历程对风-汽车-桥分析系统研究进行综述。气动干扰方面,从结构模拟精细程度、特殊工况、干扰对象等角度综述研究进展。评价准则方面,分别综述汽车和列车评价准则由简单到复杂、由确定性到不确定性的发展历程。大跨桥梁设计荷载方面,分别从现行多国规范和理论研究2个角度对大跨桥梁风和汽车荷载研究进行综述。综合分析表明：分析框架过去处于并将一直处于从简化到精细的过程中,元素模拟的精细化及相应耦合关系的重构推动分析框架升级和应用范围的扩大;气动干扰研究的干扰对象逐步增多,模拟逐步细致,数值模拟理论和风洞规模、试验测试设备及技术是限制其发展的关键因素;车-桥系统评价方面,主体结构和系统安全是评价的基础层面,附属构件和功能性的评价将越来越受到重视,且评价将由确定性向可靠性发展;大跨桥梁设计荷载方面,汽车荷载将由简单套用中小跨径桥梁设计荷载的方式,逐步过渡为考虑地区荷载特性、行驶行为等复杂模式,风和汽车荷载组合时的工况设置、计算风速的确定、荷载叠加准则、分项系数和组合系数等方面都有很大细化和深入研究的空间。     

钢管混凝土拱桥地震响应分析的参数研究

松岙大桥主桥为260 m的钢管混凝土提篮拱桥,以该桥为研究背景分析桥梁结构的地震时程响应,应用MAT-LAB语言编写了3个程序:人造地震动、采用频域积分法将加速度时程转化为位移时程、由确定的加速度时程求其加速度反应谱,并采用SAP2000为计算平台对上述几种情况下的桥梁地震响应做了对比分析。分析结果显示,大跨度桥梁对于不同的地震波、采用不同的阻尼算法、是否考虑结构的行波效应、是否考虑结构的几何非线性其地震响应差别较大,在分析中应针对具体的桥梁结构确定合理的参数与求解方法。     

斜独塔混合梁斜拉桥风-汽车-桥梁系统耦合振动研究

针对公路汽车三维绕流特性显著的特点,按照准定常理论推导了适用于公路汽车的脉动风荷载表达式。将自然风、公路汽车、桥梁作为一个统一的相互作用系统,采用风-汽车-桥梁系统耦合振动分析模型,以某斜独塔混合梁斜拉桥为工程背景,研究侧风作用下汽车-桥梁耦合振动特性,并讨论了汽车-桥梁振动的影响因素。研究结果表明：由于桥梁和汽车的气动特性差异,桥梁的竖向抖振现象较横向抖振现象突出,而汽车的横向振动现象较竖向振动更明显。     

基于车桥耦合振动的RC系杆拱桥加固效果评价

为了对采用吊拉主动加固方法的钢筋混凝土系杆拱桥进行基于车桥耦合振动分析的加固效果评价,首先,利用ANSYS软件建立空间梁、板和杆单元的桥梁结构有限元梁格模型,并选取三轴9自由度的车辆模型及路面不平度等级B分别模拟实际车辆及桥面状态,将梁格模型调入BDANS软件,通过数值模拟车、桥动力响应,计算得到桥梁动位移、加速度响应,研究加固前后桥梁控制截面所受到的动力冲击作用;然后,分析桥梁加固前后不同位置加速度响应的频谱特征;最后,对依托工程动力特征、动态响应及车桥耦合作用的实测值与理论值进行比较分析。结果表明：通过该方法加固后结构的竖向自振频率较加固前均有提升,但提升幅度较小;加固前后结构不同位置的动力响应随车速增加呈逐渐增大的趋势,且车速在60～80 km·h^-1时,加固后结构跨中截面的动力响应降幅最大;加固后结构控制截面的加速度均方根值小于加固前,根据其变化幅值建议车辆通过加固后桥梁结构的速度为60 km·h^-1,以保证行人过桥时的体感舒适度、通行效率及行车安全;通过理论值与实测值的对比分析,验证了基于车桥耦合振动分析方法对桥梁结构加固后行车性能评价的有效性。     

桥面侧风对行车安全性影响的概率评价方法

针对高速公路综合管理需求,研究强风天气的大跨度桥梁行车安全性问题。在考虑风速、车型、路面条件和车速的基础上,分析了4种典型车辆的安全行车临界风速,结合桥位风速观测资料统计和桥梁结构对桥面风速的影响,建立桥面行车高度的等效风速概率模型,提出了概率评估方法,并将此方法应用于杭州湾跨海大桥和苏通长江公路大桥的桥面行车安全性分析。研究结果表明:侧滑是行车安全性的主要问题,大跨度桥塔附近的侧风影响最为严重。