刹车状况下桥上随机车流动态演化及车-桥耦合振动分析

为实现刹车时桥上多状态车流并行动态演化的高真实度模拟和时变汽车荷载与桥梁运动状态的时时耦合,首先从宏观和微观上丰富随机车流模拟方法,宏观上沿用交通荷载调查数据中的车辆顺序、车辆基本特性等不变量,以车辆间距为服从正态分布的限幅随机变量,形成深度融合交通荷载调查数据和交通流理论的随机车流高真实度仿真方法;微观上对车辆间距随机变量确定的关键状态-阻塞状态,引入加权速度,实现阻塞密度时车流的走走停停动态描述,采用考虑驾驶人状态的概率分布方法确定车辆时距;实现多密度随机车流的高真实度仿真。其次细化刹车过程模拟,建立车流差异化刹车模型：采用顺次对比方法,筛选桥长范围最不利刹车车流;引入停车视距,考虑驾驶人反应,区分头车和跟驰车辆,精细模拟车辆刹车动态过程和刹车车流演化过程,差异化确定各车辆刹车参数;实现桥上多状态车流并行动态演化模拟。第三建立刹车力学模型,并融入至已有正常车流的车-桥耦合系统,构建可考虑刹车状态的分析系统。最后确定桥梁典型响应和分析指标,以一座大跨斜拉桥为例,对多刹车工况下的桥梁响应进行分析。结果表明：桥上刹车状况一般会产生超过正常行驶状况下的桥梁响应,最不利单车道刹车状况下的塔根弯矩甚至达到跑车工况的2.7倍,简单采用规范冲击系数方法很难实现刹车响应的包络;刹车过程中的桥梁响应最值不仅与采取刹车的车辆数目和桥上车辆保有量有关,还受刹车作用与桥梁原响应趋势的顺逆程度控制;桥梁及桥上刹停车辆的总质量和桥上正常行驶的车辆决定桥梁响应时程曲线趋势振幅;典型桥梁响应的总体趋势,与车流密度和刹车车道数相关性较小,不同时段车流会对梁端顺桥向位移和塔根弯矩产生影响。     

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-模数式伸缩缝耦合振动与冲击荷载分析

为研究导致伸缩缝及其相邻路面损坏的车轮冲击荷载,以桥梁工程中常用的模数式伸缩缝为例,提出一种车辆-桥梁-模数式伸缩缝耦合振动的分析方法。该方法通过分布式弹簧阻尼单元模拟车轮在伸缩缝上的脱空情况;采用等效悬臂或两侧支撑梁模型,考虑脱空段轮胎面的支撑作用,通过车辆-桥梁-伸缩缝耦合振动的迭代算法,实现模数式伸缩缝上的车轮动力荷载的准确模拟,并对载重汽车通过双缝模数式伸缩缝进行实例分析。研究结果表明：①由于伸缩缝结构和车轮位置的变动,很难保证车辆振动的对称性,因此需要采用三维有限元方法分析车轮冲击荷载;②伸缩缝空隙处轮胎面的支撑有助于减小车轮冲击荷载,该支撑刚度与胎面预拉应力密切相关,胎面预拉应力越大,支撑刚度越大,轮载冲击系数越小;③车辆不对称振动导致左右轮冲击系数不同,模数式伸缩缝的中梁跨中冲击系数最大;④模数式伸缩缝上的轮载冲击系数计算值可能超过中国伸缩缝设计指南规定值,该方法可用于确定模数式伸缩缝的最大容许间隙,使车轮冲击荷载小于设计值,以保障伸缩缝的安全服役。     

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。     

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。     

基于车轮与桥面耦合关系变换的车桥系统振动耦合求解

提出一种新的直接求解车-桥系统振动响应的方法,即把车-桥系统作为一个整体来考虑,通过变换车轮与桥面对应点间的耦合关系来实现车辆移动,从而使车-桥系统振动响应的求解更加简便和实用化;将该程序计算结果与理论分析结果、ADAMS软件计算结果及模型试验结果进行对比;应用该车-桥相互作用分析程序研究了在2种路面粗糙度条件下的车-桥系统竖向响应,并进行了对比分析.结果表明:提出的程序计算结果正确、可靠;车-桥系统的竖向加速度及车轮与桥面之间的相互作用力受路面粗糙度影响较大.     

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-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。     

基于模型修正的实体车-桥耦合分析系统建立及验证

为将梁格法车-桥耦合分析系统提升至同时考虑结构整体响应及局部应力分析的精细化实体车-桥耦合分析系统,首先,基于最小势能原理推导八节点六面体实体有限单元列式,采用等参插值确定单元的协调位移,引入Wilson非协调位移模式,消除一阶单元在弯曲变形分析中的剪切自锁,提高单元的分析精度和计算效率;采用静/动力分析算例对所构造非协调八节点六面体单元（ICH8）的准确性进行验证;其次,基于车轮与桥面接触实体单元间的位移协调和力的平衡关系,采用非线性分离迭代法建立实体车-桥耦合分析系统,编制自主研发的精细化分析模块;再次,融合Monte-Carlo灵敏度分析与遗传算法构建桥梁实体有限元模型修正方法,并借助现场静载测试结果对目标桥梁实体有限元模型进行修正;最后,联合修正的桥梁实体有限元模型与跑车工况测试结果验证所建立实体车-桥耦合分析系统的准确性。结果表明：由所建立的实体车-桥耦合分析系统得到的桥梁动力响应与实测响应吻合良好,从而验证了该分析系统的可靠性。借助所建立的实体车-桥耦合分析系统,不仅可实现时域内桥梁结构的整体内力分析,同时还可实现桥梁结构的局部应力分析,包括局部构件的应力分布和应力集中等,对当前车-桥耦合振动领域分析工具具有一定的改进和提升。     

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。     

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...     

模数式桥梁伸缩缝疲劳寿命分析与结构优化

为提高伸缩缝结构的强度和疲劳寿命,提出了一种考虑移动车轮荷载的伸缩缝结构动力响应计算方法,该方法同时考虑了车轮的竖向与水平冲击荷载,这些冲击荷载作用在内力影响线分析得到的最不利作用点上.在动力分析基础上,采用包含有效缺口应力、雨流计数和线性累计损伤理论的结构疲劳寿命分析方法,评估了模数式伸缩缝的疲劳寿命.针对伸缩缝结构...     

桥梁工程中的伸缩缝施工技术分析

桥梁工程项目施工建设中切实做好伸缩缝施工处理极为必要,伸缩缝作为其中比较关键的一个重要组成部分,如果出现了较为严重的隐患问题,必然会容易导致整个桥梁工程项目的应用效果受到影响。重点围绕桥梁工程中伸缩缝的施工应用,从各个技术要点以及关键注意事项两个方面进行了简要分析论述,以供参考。     

基于模型修正梁格法的车桥耦合振动分析系统

首先以一座钢桁架连续梁桥为工程实例,建立尽可能考虑结构特点的初始有限元模型,并结合现场试验采集的静、动力实测数据,建立考虑变形、频率及振型等静、动力信息的多目标函数,通过有限元模型修正获得能够反映结构真实状态的基准有限元模型;其次介绍了梁格法桥梁车桥耦合振动分析模块以及静载试验整车加载模块编制思路,并嵌入自行研发的桥梁结构动力分析软件BDANS;最后将修正后的有限元模型输入至自行研发的梁格法车桥静动力分析模块,并将静动力荷载工况下的实测响应、BDANS计算值与通用软件ANSYS计算值三者进行了相互校核和对比。结果表明:BDANS静力分析模块的计算结果与ANSYS静力计算结果完全吻合,BDANS动力分析模块在不同行车工况下的动力计算响应趋势与实测响应趋势保持一致,从而验证了该分析模块的可靠性。     

基于车-桥系统耦合振动理论的大跨PC连续刚构桥冲击系数研究

在分析车-桥系统耦合振动研究资料的基础上,推导了基于自身假设条件下的车-桥系统耦合振动的运动方程组.利用VC 编制了可用于车-桥系统耦合振动分析的专业程序CQZD.以2座大桥为例,分析了桥梁基频对大跨PC连续刚构桥冲击系数的影响,并将算例中的冲击系数计算结果同按规范JTG D60-2004计算的结果进行了比较.结果表明:桥梁基频对冲击系数的影响比较显著,冲击系数随基频的降低而降低.     

大位移公路桥梁伸缩缝的动力定位耦合数值模拟研究

基于有限元软件ABAQUS,对大位移公路桥梁伸缩缝的动力定位耦合数值模拟进行了研究。结果表明,随着支承刚度的增加,伸缩缝最大水平位移、竖向位移响应随之减小。当支承刚度从50050 N/mm增加到80050N/mm时,伸缩缝中梁最大水平位移响应减小60.71%,最大竖向位移响应减小38.36%。当中梁支承刚度>50050N/mm,速度为81.5km/h时,增大支承刚度对伸缩缝中梁冲击影响较小。随着速度增大,伸缩缝中梁水平向振动位移和竖向振动位移变化规律趋于一致。与双辆车同时同向通过伸缩缝相比,单辆车通过伸缩缝时,最大竖向位移相差较小,最大水平向位移则明显要小。在单辆车通过伸缩缝时,最大竖向位移相差较小,最大水平向位移明显要大于双辆车同时反向通过的位移。     

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。     

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。