风-列车-桥系统耦合振动研究综述

风-列车-桥（简称风-车-桥）系统耦合振动涉及多学科交叉,是双重随机激励作用下的时变耦合系统,是研究列车抗风安全性的主要方法之一。从提出风-车-桥的概念以来,国内外学者对此进行了大量的研究,取得了积极的进展,为进一步促进风-车-桥系统耦合振动的研究,从车-桥系统风荷载、车-桥耦合模型、风-车-桥耦合模型三部分出发,对风-车-桥系统研究的一些重要成果进行回顾和介绍。其中,车-桥系统风荷载部分包含静风力、抖振力（脉动风模拟和气动导纳）、风载突变效应3个方面;静风力方面,回顾车-桥静动态系统气动特性的风洞试验方法及数值模拟方法,讨论不同试验和分析方法的优缺点及其适用的情况;抖振力方面,介绍脉动风模拟方法以及气动导纳的计算方法;风载突变方面,介绍横风作用下列车过桥塔及双车交会时风洞试验和数值模拟方法。车-桥耦合振动模型部分,回顾车辆分析模型和车-桥系统的求解方法。风-车-桥耦合模型部分包含分析模型、耦合机理和实际应用3个方面,回顾风-车-桥系统的耦合机理,结合实例介绍风-车-桥系统耦合振动方法的实际应用。最后,结合当前风-车-桥系统研究的不足之处,提出车-桥动态系统气动特性的风洞试验技术、风-车-桥系统的精细化分析模型、现场实测、可靠度及其评价准则是其今后的主要研究方向。     

基于流固耦合的行车临界风速研究

为了研究风-车-桥耦合系统中车-桥系统的振动特性及车辆行车安全特性,得到车辆在大跨度桥梁上行驶时车辆的安全行驶临界风速,对车辆通过大跨斜拉桥时车辆的气动特性、车-桥系统的振动特性及车辆的行车安全特性进行研究。研究风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时车辆的行车安全临界风速,分析车辆行驶速度、路面状况及风偏角对车辆行驶安全临界风速的影响。车-桥系统的耦合振动会导致车-桥系统周围风场的特性发生变化,风场的变化会导致下一时刻车-桥系统的受力状态发生改变。考虑车辆运动及车-桥系统的振动与车-桥周围风场的相互影响,基于双向流固耦合数值模拟,建立风-汽车-桥梁空间耦合振动数值分析模型。通过风-车-桥耦合系统三维数值分析,得到了风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时不同状况下车辆的倾覆及侧滑临界风速。结果表明:基于双向流固耦合数值分析能够较精确地模拟风-车-桥耦合振动系统;风荷载作用下车辆在桥上行驶时,车辆的振动特性主要由汽车-桥梁系统决定,车-桥系统的振动特性受自然风荷载影响;侧向风荷载作用下车辆的倾覆力矩系数及侧向力系数并不一定为最大值,车辆在大跨径桥上行驶受侧向风荷载作用并不一定为行车安全分析的最不利状况。     

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。     

车辆对倒梯形钢桁梁桥风荷载影响的风洞试验研究

车辆与桥梁间显著的气动干扰随着大跨桥梁的建设和高速铁路的发展已成为人们关注的焦点,但现有研究大多以汽车或流线型高速列车和钝体简支梁为研究对象,且关注的重点往往是桥上列车的平均风荷载或列车对主梁平均三分力系数的影响。以大跨铁路常用的倒梯形钢桁梁桥为背景,对不同风攻角、车桥组合方式下车-桥系统的整体气动力进行测试,将车桥组合时桥梁受到的整体平均和脉动风荷载与单独成桥状态时的风荷载进行对比,分析横风下车-桥间气动干扰对车-桥系统所受总体气动力的影响规律,研究成果可为类似工程的风荷载取值提供参考。     

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。     

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。     

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。     

公路车-桥耦合振动的理论和应用研究进展

为了推动公路车-桥耦合振动理论的发展和仿真技术的广泛应用,从公路车-桥耦合振动理论研究和应用研究2个方面系统性梳理了公路车-桥耦合振动相关领域的学术研究现况、既有研究成果、发展前景、存在的问题和对策。理论研究方面,系统总结了车-桥耦合振动研究中车-桥、桥梁、路面不平整度等参数的数学模型和车-桥耦合时变系统动力学方程的数值解法。基于调研和分析发现,经过国内外学者长期的努力,车-桥系统数值模型已经可以越来越真实地模拟实际车辆、桥梁以及路面不平整度等其他条件因素。在未来的研究中应持续改进有限元建模技术和优化数值算法,以进一步提高车-桥耦合振动仿真分析的精度和效率,扩展其应用范围。应用研究方面,以桥梁动力冲击系数、桥梁疲劳分析、桥梁结构损伤识别、桥梁振动控制、桥上行车舒适性以及桥上车辆荷载动态识别等6个问题为例,综述了车-桥耦合振动仿真技术在桥梁安全相关研究领域的应用现状,并对目前研究仍存在的局限和后续的研究方向进行了初步探讨。研究表明,车-桥耦合振动仿真技术已成为众多相关研究领域内的重要研究方法,在部分研究领域已展现了良好的应用前景。后续研究中,一方面应针对具体问题的特点改进车-桥耦合振动模型的适用性和计算精度,另一方面应针对具体研究问题进一步完善相关理论,并从工程实用性角度提出新的或改进的技术和方法。     

横风作用下跨座式公轨两用斜拉桥行车性能研究

跨座式单轨轨道交通是城市轨道交通系统的一种典型制式,具有转弯半径小、爬坡能力强、地形适应性强等优点。车辆通过窄轨距轮对骑跨在单根轨道梁上的走行方式,使其易受轨道结构振动影响,因此,横风作用下大跨度桥上的车辆运营性能很值得关注。建立了风-跨座式单轨车辆-桥梁耦合系统动力分析模型。以某海外工程的跨座式公轨两用斜拉桥方案为对象,基于风洞试验和数值模拟方法,获得了车-桥系统的气动参数,并通过风-车-桥耦合振动分析方法评估了横风作用下桥上跨座式单轨轨道交通的运营性能。研究表明：在桥梁风致振动激励下,当跨座单轨车辆通过桥梁主跨时,各项指标均显著增大,车体竖向加速度及稳定轮的响应增幅最为明显;在瞬时风速35 m/s横风作用下,桥上跨座式单轨车辆走行轮的轮重减载率均在0.8限值以内,能够满足行车要求。     

基于APDL的车-连续曲线梁桥耦合系统建模及动力学分析

随着公路等级、行车速度以及汽车载重等的不断提高,汽车-桥梁相互作用问题越来越突出.在车-曲线桥耦合动力系统中存在"弯-扭耦合作用",使得曲线桥的动力学分析相对复杂得多.基于APDL语言采用位移耦合法建立了车-曲线桥耦合系统有限元模型,并与已有文献对比验证了该方法的正确性.以一座5跨连续曲线箱梁公路桥为例,计算了该桥在车辆荷载作用下的动挠度响应,并分析了偏载、车速、离心力对连续曲线梁桥各跨跨中截面动挠度和动力冲击系数的影响.     

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。     

考虑随机车载-风载联合作用的斜拉桥拉索疲劳可靠性分析

以某大跨斜拉桥为工程背景,对随机车载与风载联合作用下的斜拉索疲劳可靠性进行了分析。首先,依据交通调查数据,建立随机交通荷载模型,基于桥位处多年风速统计资料,建立大桥风载概率模型;然后,采用自编的风-车-桥动力响应分析程序,实现随机车载与风载联合作用下的拉索应力谱计算分析;最后,基于累积损伤理论和Monte-Carlo法开展拉索的疲劳可靠度和疲劳寿命分析。研究结果表明：风载对斜拉索疲劳可靠度影响显著,且该影响由短索到长索呈不断增大的趋势;考虑车载-风载联合作用的拉索疲劳寿命较仅考虑车载的情况下降2%～63%,平均达50%。     

基于影响函数的随机车流作用下大跨度悬索桥风致应力响应分析

为了解决大跨度桥梁在随机车辆荷载和风荷载作用下局部应力求解耗时问题,首先以矮寨大桥为工程背景,建立壳-梁混合单元有限元模型,确定大桥应力的关键位置及关键点,采用分段拟合方法获得随机车辆荷载的影响面函数和风荷载的影响线函数;结合吉茶高速实际交通量特征及随机参数分布特征,采用蒙特卡罗方法,编制抽样程序生成随机车流样本。其次采用风-车-桥耦合振动分析获得典型车辆的等效车辆荷载;引入风荷载动力影响系数,提出了一种简便实用的随机车流下大跨度桥梁风致应力分析方法。最后应用ANSYS计算分析结果验证所提方法的正确可行性,分析矮寨大桥在随机车流和风荷载联合作用下的关键点应力响应。结果表明：风速低于15 m·s^-1时,风荷载引起大桥关键点应力响应远小于车辆荷载引起的应力响应;繁忙车流下应力响应的幅值并不比稀疏车流下的应力幅值大很多,但是繁忙车流下应力响应的峰值数量远大于稀疏车流下的峰值数量,即应力的循环次数多,会增大桥梁的疲劳损伤。     

基于模态综合理论的斜拉桥时域抖振分析方法

基于大跨度斜拉桥风致抖振时域分析的复杂性,为提高时域分析效率,引入模态综合理论,提出一种斜拉桥抖振时域分析方法,并通过算例自编程序验证其正确性与可行性。考虑自然风的相关特性,采用谱解法将三维随机风场简化,横桥向和顺桥向风速谱采用沿高度变化的Simiu谱,竖向风速谱采用Lumley—Panofsky谱,编制程序实现大跨度斜拉桥随机风场的数值模拟,得到施加于结构上的风荷载时程。研究表明,大型结构的动力响应主要受若干低阶振型控制,因此在斜拉桥时域分析过程中引入模态综合理论,实现了抖振力和自激力的时域化过程,并且全面地考虑了气动阻尼、气动刚度和气动耦合作用的影响,有效地解决了考虑自激力的时域化过程复杂、计算代价过大的问题;最后通过编制程序对一座大跨度斜拉桥进行不同风速下的抖振时域分析,验证了其实用性。     

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。     

随机风、车流联合作用下大跨公路悬索桥纵向振动特性研究

为了研究随机风、车流荷载联合作用下大跨公路悬索桥纵向振动特性,基于元胞自动机原理建立了随机交通流模型,采用平稳高斯过程模拟风荷载,同时考虑随机风、车流与桥梁的相互作用,利用ANSYS和MATLAB混合编程技术建立了风-车-桥空间耦合振动分析平台,并基于该平台对随机风、车流荷载单独作用以及联合作用下某大跨公路悬索桥加劲梁的纵向位移时程、纵向位移极值和纵向累积位移等特性进行了深入的研究。研究结果表明：低风速下（5 m·s^-1）由单风引起的加劲梁纵向位移极值要远小于由单车（流）引起的加劲梁纵向位移极值（不足5.0%）。当风速增加至20 m·s^-1时,风致加劲梁纵向位移极值分别为稀疏交通流和轻微拥堵交通流引起加劲梁纵向位移极值的57.7%和24.2%。此外,还发现风-车-桥耦合效应显著,若不考虑风-车-桥耦合效应的影响而采取单个荷载效应线性叠加的方法,将明显低估加劲梁纵向位移的极值响应。风荷载单独作用下加劲梁纵向位移极值的概率分布均服从对数正态分布;车流荷载单独作用以及风、车流荷载联合作用下加劲梁纵向位移极值的概率分布均服从广义极值分布。虽然风荷载对加劲梁纵向位移极值的贡献与车流荷载相比要小很多,但由于风致加劲梁纵向振动的频率较高,风荷载对加劲梁纵向累积位移的贡献要比对纵向位移极值的贡献显著。