精细微观车流-桥梁耦合系统构建及伸缩缝纵向变形分析

大跨桥梁上的车流重力动态分布和作用在变形主梁上的时变纵向力,决定梁端伸缩缝纵向变形,实现伸缩缝纵向变形分析,车-桥耦合系统是核心,实现车流重力分布和纵向力计算加载的车流微观行驶行为仿真及力学化的理论方法是关键.首先,从元胞尺寸和行驶规则2个角度对仿真方法进行精细:把实测车型典型轴距对标当前市场车型,确定各车型车辆前、后...     

随机车流-桥梁系统耦合振动精细化分析与动态可视化

针对目前公路车-桥耦合分析系统功能的不足,建立了随机车流-桥梁耦合振动精细化分析框架,该分析框架尽可能考虑了桥梁上通行车辆荷载的随机特性。采用交通信息采集系统和动态称重设备对交通荷载数据进行系统全面的观测,记录每辆经过观测断面车辆的到达时间、横向行驶位置、车速、车型和质量,在此基础上形成可以重现真实交通场景的随机车流;针对单主梁和梁格法桥梁分析模型,开发一个包含典型车型库,可以考虑桥面空间路面粗糙度,具有单向及双向多车道设置功能,车型、车辆悬挂系统、车辆质量、横向行驶位置、车速、障碍物位置和尺寸等参数随机功能的分析系统,并基于OpenGL技术着重开发了随机车流过桥动态可视化功能;最后,分别以1个单主梁和多主梁桥梁为工程实例,采用典型路段观测到的实际交通荷载研究了随机车流荷载对桥梁结构的影响。结果表明:所建立的随机车流-桥梁耦合振动分析系统具有明显的优越性。     

车辆变速行驶状态下的车-桥耦合振动研究

为研究车辆变速行驶状态下的车-桥耦合振动,建立考虑纵向刹车或加速影响的有限元模型.模型中假设当前时间步车辆的平均加速度可由求解初值求得,则计算中可用车辆的相对位移代替其绝对位移,因此车辆中各集中质量处的惯性力均可求得;通过与二轴车辆过桥模型半解析解对比,验证了该有限元模型的正确性.     

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。     

基于行车安全可靠度理论的风-车-桥耦合振动研究

采用谐波合成法和桥面粗糙度理论分析风-车-桥系统的随机性,分析侧向风对桥面振动的影响机理,提出考虑风速风向联合分布影响,并基于动力可靠度理论对风-车-桥系统进行行车安全可靠度分析。通过工程实例计算表明,在不同风向分布中考虑联合分布的动力可靠度值更可靠,在进行安全分析评价的时候更安全,是最符合实际情况的评价指标。     

车-桥耦合振动分析的模态综合方法

对车辆与桥梁之间产生的耦合振动进行了全过程分析。首先通过有限元软件对桥梁进行模态分析，在此基础上建立三维车辆模型与桥梁模型组成互动体系的振动时变方程组，然后通过数值逐步积分进行求解。分析方法考虑了桥面平整度、车速等因素。该法不受桥型、跨径等因素的制约，可以模拟多车道和多辆车，有更强的通用性，优化精简了桥梁结构的自由度，提高了计算速度，计算结果准确可靠。     

非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统

自锚式悬索桥独特的锚固形式使其主梁承受主缆传递的巨大轴向压力,为了研究主梁刚度在初内力及活载作用下的弱化问题对自锚式悬索桥结构静动力响应的影响,首先,结合自锚式悬索桥的非线性特点引入初应力刚度矩阵,考虑随机车流过桥时几何非线性的时变性,采用分离迭代法建立非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统,并编制相应的非线性分析模块。其次,以某三跨混凝土自锚式悬索桥为例,选取集中力匀速过桥工况,利用ANSYS软件对非线性分析模块的可靠性进行验证。最后,分别设置2种极端工况：第1种是单车工况,近似认为只有恒载作用下产生的几何非线性;第2种是密集交通流工况,认为是恒载和最不利活载共同作用产生的几何非线性,并采用元胞自动机模型对密集车流进行模拟,研究自锚式悬索桥恒载和活载初内力引起的几何非线性对桥梁响应的影响程度。研究结果表明：单车工况下,梁塔恒载初内力对自锚式悬索桥的车辆过桥结构响应影响显著,主梁和主塔初内力贡献程度明显不同,主梁初内力对结构刚度矩阵变化的影响贡献较大而主塔贡献微小;相对于恒载,密集车流作用下初内力效应引起的几何非线性对自锚式悬索桥结构刚度影响微小,对结构响应的非线性影响也不明显。     

大跨度悬索桥车-桥耦合振动建模及构件受力分析

为精确分析大跨悬索桥在重型车辆作用下的振动响应,基于LS-DYNA程序,根据实际重型车辆结构特性建立精细的三维车辆模型,将车辆子系统和桥梁子系统进行耦合,建立实体单元的车桥耦合振动模型;设置多种荷载工况,对比分析主梁各特征点位置的竖向位移、吊杆和主梁顶板的动力响应.     

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...     

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。     

用于公路车-桥系统振动分析的精细化轮胎模型

为了解决当前公路车桥耦合振动模型中轮胎模型过于简化、车轮-路面接触力与桥梁响应计算结果不够精确的问题,提出了一种精细化轮胎模型.首先基于车辆橡胶轮胎的几何、力学特征,建立了径向弹簧力学模型并进行了理论推导;然后考虑轮胎与路面接触面的刚度分布特征和高速状况下轮胎的惯性力,提出了轮胎接触面分布刚度的计算方法,保证了轮胎接触...     

车辆荷载作用下双工字钢-混组合连续梁桥振动控制研究

车桥耦合作用下,钢-混凝土组合梁桥竖向振动问题比较突出,这将影响行人的安全及舒适性。以中国某三跨双工字钢-混凝土组合连续梁桥为研究对象,对桥梁进行车桥耦合振动分析及控制。基于Newmark-β法在ANSYS中利用APDL语言建立车桥耦合振动模型,并对不同车重、车速和路面等级下的桥梁竖向加速度振动响应进行分析。在桥梁各跨跨中安装调谐质量阻尼器(TMD)对桥梁振动进行控制,采用最佳参数调整方法确定TMD参数。对安装TMD前后的桥梁振动响应进行对比分析,并结合Sperling指标对行人舒适度进行评价。研究结果表明：车速、车重和路面等级均是导致行人舒适度变差的重要因素;2辆同型号车辆按相应车道并排行驶,安装TMD后,随着车速的增大,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率逐渐增大,当车速为120 km·h^-1时,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率达到43.7%,Sperling指标从2.76降到2.33,振动控制效果最为明显;随着车重的增加,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率基本呈增大趋势,当各车重为40 t时,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率为29.1%,Sperling指标从2.20减小到1.99,行人舒适度得到了较大改善;随着路面不平顺等级的增大,桥梁跨中竖向加速度峰值减小率也逐渐增大,C级路面时加速度峰值减小率可达到29.4%,控制效果明显。因此,安装TMD对不同车重、车速和路面等级下的桥梁跨中竖向加速度响应均起到了控制作用,对双工字钢-混凝土组合连续梁桥安装TMD可以有效地改善行人舒适度。     

基于LS-DYNA公路桥梁车桥耦合振动模型

基于LS-DYNA程序,采用线弹性的橡胶及钢材模拟车轮并定义轮胎内气压,运用转动约束关节和圆柱形约束关节实现车轮转动特性;结合车辆悬架系统动力特性,运用弹簧阻尼单元及梁单元仿真实现悬架动力特性;调整质量单元的大小及分布,实现车体质量分布与实际一致.以某三轴重型车辆为例,建立了用于研究车桥耦合振动响应的精细车辆模型.对比车辆有限元模型的轴载、自振频率理论值与实测值,验证车辆模型的有效性.以某一简支梁桥为例,采用LS-DYNA有限元模拟和MATLAB数值分析移动弹簧-质量-阻尼振动系统,对比研究车辆匀速通过简支梁桥时,各片梁的振动响应.研究结果表明,运用LS-DYNA精细有限元模型能准确分析车桥耦合振动响应,但计算工作量大.     

基于有限元的曲线连续梁桥车桥耦合振动分析

考虑车桥耦合振动计算了汽车通过曲线连续梁桥时车辆和桥梁的振动。把车辆和曲线连续梁桥视作两个分离子体系,分别应用广义虚功原理和有限元法推导了两者的各自振动方程组,通过位移协调方程及车桥相互作用联系方程把车辆和曲线连续梁桥振动耦合起来,建立了车桥耦合振动方程,给出了采用有限元通用分析软件ANSYS实现公路曲线连续梁桥车桥耦合振动的计算方法。数值算例表明,该计算方法仅经3次迭代即可获得较高精度及可靠的数值结果,并与连续梁按规范给定的基频估算值计算的冲击系数进行对比,在平整桥面情况下,两者基本吻合,在桥面不平度等级为C级时,两者相差较大,这说明按现有规范计算曲线连续梁桥的冲击系数,在某些特定的条件下,有可能是不安全的。从而为公路曲线连续梁桥动力性能评价寻求了一种方便可靠的数值分析方法。     

车辆荷载作用下连续梁桥动力响应仿真分析

为研究桥梁在移动车辆荷载作用下的动力特性和承载能力,以某连续梁桥为计算实例,采用大型通用有限元软件ANSYS建立了质量-弹簧的车辆模型和桥梁结构的有限元模型,用时程分析法分析了车辆荷载作用下连续梁桥的动力响应特征,着重探讨了车辆刚度、车辆质量、行车速度等车辆荷载因素对连续梁桥动力响应的影响规律,并提出相应结论.     

基于桥面不平顺的车桥耦合振动分析

把车辆和桥梁结构看成相互作用的两个子系统,分别建立二者的力学模型和振动微分方程。在求解过程中,通过位移协调条件和两个子系统间相互作用力相等的原则把两个子系统的振动微分方程耦合起来。利用有限元分析软件ANYSYS的二次开发语言APDL编写了求解车桥系统耦合振动微分方程的迭代计算命令流。以桥面不平顺为激振源,分析了主跨为550 m的福建长门大桥当多车辆通过时在各级桥面不平顺情况下的动力响应。计算结果表明,随着桥面不平顺程度的增加,桥梁结构和车体的动力响应均呈非线性增大,其中桥梁主跨跨中位移、主跨最外侧拉索应力和车辆加速度变化显著。     

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。     

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。