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风—汽车—桥梁系统耦合振动分析及程序设计

作　者: 赵凯
导　师: 李永乐
学　校: 西南交通大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 基础刚度正交三梁模型抖振时域分析耦合振动风—汽车—桥梁系统风致车辆事故面向对象编程
分类号: U441.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

风—汽车—桥梁系统是由自然风、公路车辆(汽车)和桥梁三者协调工作构成的统一力学作用体系。由于风与桥梁间的流固耦合作用、车辆与桥梁间的固体接触耦合作用和风对车辆的脉动作用,风—汽车—桥梁系统会产生时变的耦合振动。围绕风、汽车和桥梁的相互作用,采用一定的动力分析模型,以数值方法为手段,建立了风—汽车—桥梁系统耦合振动分析框架。首先,为在桥梁结构动力分析中实现基础刚度的有效模拟,针对当前常用的基础刚度模拟方法的局限性,提出一种基础刚度有限元模拟的正交三梁模型法,其原理是采用具有一个公共节点的三个正交的梁单元,通过联合求解确定三个梁单元各自的刚度特性,从而使三个正交单元公共节点处的刚度和承台中心的基础刚度等效。该正交三梁模型可准确模拟基础刚度矩阵的各主元素和交叉项,简单实用,便于结构有限元建模,具有推广价值。其次,将静风力及时域化的抖振力和自激力作为桥梁上的统一风荷载,实现了桥梁颤抖振统一时程分析。讨论了桥梁上风荷载的攻角非线性问题,在此基础上可以从时域角度全面分析和研究桥梁的颤抖振问题。再次,建立13个自由度的两轴汽车动力分析模型,推导了该车辆模型的振动微分方程。针对车辆侧倾事故和侧滑事故的评判准则,指出采用包含峰值因子的车轮与地面的作用力作为车辆事故评判依据更为合理,提高了风致车辆事故分析的可靠性,并提出了车辆折算接触力和侧滑抗力的概念,将其作为移动车辆安全性分析的评判指标。最后,将风、公路车辆、桥梁三者作为一个统一的相互作用系统,建立较为完善的风—汽车—桥梁耦合振动系统分析框架。基于面向对象编程思想,编制风—汽车—桥梁系统耦合振动分析程序WVBroad(Wind-Vehicle-Bridge for Roadway)。运用该程序,分别以某高墩大跨连续刚构桥和混合梁独塔斜拉桥为工程背景,进行车—桥系统垂向耦合振动和风—车—桥系统空间耦合振动分析。通过多工况、多因素对比分析,研究了桥梁动力冲击系数、侧风作用下的车桥耦合振动特性以及车辆行车安全性等问题。对连续刚构桥的车—桥系统垂向耦合振动分析结果表明：车辆对桥梁的动力作用主要表现为移动车轮的周期性冲击；桥梁和车辆的动力响应都随路面不平度增加而增大,由于桥梁刚度较大,车体的响应大小主要取决于路面不平度值；桥梁冲击系数主要取决于车辆的规律性移动和桥梁结构的自振特性。对独塔斜拉桥的风—车—桥系统空间耦合振动分析结果表明：静风通过对车辆的阻力作用使桥梁横向位移增大,当上桥车辆众多时,车辆上的静风力不容忽视；桥梁为近似流线型的箱形截面线状结构,升力在气动作用中表现最为重要,竖向抖振现象突出；车辆的气动外形十分钝化,阻力效应显著,横向抖振现象明显。根据建立的风致车辆事故模型,分析了路面不平度、车速以及路面干湿状况等因素对在桥梁上行驶的车辆的安全性的影响,并给出了车辆事故临界风速,提出了适用于交通安全管理的车辆限速标准。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-23
  1.1 概述  12-13
  1.2 桥梁风致振动研究概况  13-16
    1.2.1 桥梁抖振分析频域方法  13-15
    1.2.2 桥梁抖振分析时域方法  15-16
  1.3 车桥耦合振动研究概况  16-19
    1.3.1 古典理论  16-18
    1.3.2 现代车桥分析模型  18-19
  1.4 风—车—桥系统耦合振动研究概况  19-21
  1.5 保障桥面行车安全方面的一些工程应用  21
  1.6 本文的主要研究工作  21-22
  1.7 本章小结  22-23
第2章桥梁结构有限元建模及动力分析  23-33
  2.1 结构振动微分方程  23
  2.2 杆系单元力学特性矩阵  23-27
    2.2.1 形函数矩阵  23-25
    2.2.2 刚度矩阵  25-26
    2.2.3 质量矩阵  26-27
    2.2.4 阻尼矩阵  27
  2.3 求解动力响应的Newmark-β数值积分算法  27-29
  2.4 桥梁桩基基础刚度的有限元模拟  29-32
    2.4.1 概述  29
    2.4.2 基础刚度的概念及计算  29-30
    2.4.3 常用的基础刚度模拟方法  30
    2.4.4 正交三梁模型  30-31
    2.4.5 可靠性验证  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章风对桥梁和车辆的作用  33-53
  3.1 空间脉动风速场的数值模拟  33-36
  3.2 作用于桥梁上的风荷载  36-41
    3.2.1 静风力  36-37
    3.2.2 抖振力  37-38
    3.2.3 自激力  38-41
  3.3 桥梁抖振分析及算例验证  41-48
    3.3.1 风致颤抖振时程分析运动方程  41-42
    3.3.2 算例验证  42-48
  3.4 作用于车辆上的风荷载  48-51
    3.4.1 静风荷载  48-49
    3.4.2 脉动风荷载  49-51
  3.5 车桥系统风荷载  51
  3.6 本章小结  51-53
第4章公路车辆动力分析模型  53-63
  4.1 路面输入模型  53-54
  4.2 两轴车辆动力学分析模型  54-59
    4.2.1 车辆模型的自由度  54-55
    4.2.2 基本假定  55
    4.2.3 参数含义  55-56
    4.2.4 车辆振动微分方程的推导  56-59
  4.3 风致车辆事故分析模型  59-62
    4.3.1 研究综述  59
    4.3.2 风致车辆事故分析准则  59-61
    4.3.3 移动车辆安全性分析的评判指标  61
    4.3.4 算例  61-62
  4.4 本章小结  62-63
第5章风—汽车—桥梁系统耦合振动分析框架  63-75
  5.1 风—汽车—桥梁系统的时变特性  63
  5.2 车辆—桥梁相互作用  63-65
    5.2.1 汽车—桥梁系统几何耦合关系  63-65
    5.2.2 汽车—桥梁系统力学耦合关系  65
  5.3 风—汽车—桥梁系统运动方程  65-66
  5.4 运动方程的分离迭代求解法  66-68
  5.5 风—汽车—桥梁系统运动分析程序设计  68-73
    5.5.1 面向对象程序设计方法简介  68-69
    5.5.2 面向对象的有限元程序开发回顾  69-70
    5.5.3 面向对象的风车桥系统分析程序设计  70-71
    5.5.4 类CBridge、CBaseVehicle、CWind简介  71-73
  5.6 风车桥分析程序WVBroad  73-74
  5.7 本章小结  74-75
第6章汽车—桥梁系统耦合振动分析  75-85
  6.1 桥梁冲击系数  75-76
  6.2 车桥耦合振动分析算例验证  76-77
  6.3 某高墩大跨连续刚构桥概况  77-78
    6.3.1 桥梁结构型式  77
    6.3.2 结构自振特性  77-78
  6.4 高墩大跨连续刚构桥概况车桥耦合振动分析  78-84
    6.4.1 单车通过桥梁分析  78-79
    6.4.2 多车双向行驶过桥分析  79-80
    6.4.3 路面不平度的影响  80-81
    6.4.4 桥梁刚度的影响  81-82
    6.4.5 桥梁质量的影响  82-83
    6.4.6 综合分析  83-84
  6.5 本章小结  84-85
第7章风—汽车—桥梁系统空间耦合振动分析  85-102
  7.1 某独塔斜拉桥概况  85-87
    7.1.1 工程概况  85-86
    7.1.2 结构动力特性  86
    7.1.3 主梁气动力系数  86-87
  7.2 抖振响应  87-89
  7.3 风—车—桥响应特性分析  89-93
    7.3.1 侧风对车桥系统的振动特性影响研究  89-90
    7.3.2 车道数的影响  90-91
    7.3.3 路面不平度的影响  91-92
    7.3.4 风速的影响  92-93
  7.4 侧风作用下车辆安全性分析  93-97
    7.4.1 车速的影响  94-95
    7.4.2 路面不平度的影响  95-96
    7.4.3 风致车辆事故临界风速  96-97
  7.5 地震动作用下车桥响应分析  97-99
  7.6 基础刚度对车桥系统动力反应的影响分析  99-100
  7.7 本章小结  100-102
结论  102-106
  1 主要研究工作  102-103
  2 主要研究结论  103-104
  3 研究展望  104-106
致谢  106-107
参考文献  107-111
附录Ⅰ 车辆动力参数及气动参数  111-113
  Ⅰ.1 动力参数  111-112
  Ⅰ.2 气动参数  112-113
攻读硕士学位期间发表的论文  113-115
攻读硕士学位期间参与的科研项目  115-116

风—汽车—桥梁系统耦合振动分析及程序设计

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