基于有限元模型修正的大跨度悬索桥随机车流车—桥耦合振动分析

论文摘要

车-桥耦合振动是车辆体系与桥梁结构体系相互作用的结果,以往对桥梁结构动力响应的研究多局限于既定车流,且研究的车辆模型多为两轴和三轴车型,但实际行驶于桥面的车流具有很强的随机性,车型多为两轴、三轴、四轴、五轴及六轴不等;加之桥梁结构的计算模型与实际结构之间存在一定的差异,这进一步影响了计算结果的精度,因而对应的研究成果,在其推广应用上还具有一定的局限性。因此,本文从对公路实桥随机车流的研究入手,结合桥梁结构有限元计算模型的修正技术,研究了随机车流作用下大跨度悬索桥的车-桥耦合振动响应,具体内容表现为以下几方面:（1）研究了随机车流随机特性的分布规律,编制了车速、车距、车型及车重随机的车流的模拟程序,提出了组合预测法,并以该方法对公路桥梁的车辆流量进行实时预测,取得了较好的预测效果;通过对公路实桥车辆流量的统计分析,得到了常见车流的一般统计参数,建立了随机车流参数数据库,生成了不同类型的随机车流模型。（2）提出了基于敏感参数分析的子结构有限元模型的修正方法,并以四渡河特大悬索桥为研究对象,实现了对该桥有限元计算模型的成功修正,为后续进行的桥梁结构车-桥耦合振动分析等奠定了坚实的基础。（3）建立了21自由度的四轴车型、25自由度的五轴车型及29自由度六轴车型的模型,在现有的13自由度的双轴车型及17自由度的三轴车型的基础上,完善了随机车流典型车辆的计算模型体系,提高了随机车流中车辆模型的计算精度。基于VB语言,编制了随机车流车-桥耦合振动分析程序,实现了该程序与随机车流模拟生成程序及大型有限元计算程序Ansys之间的接口;通过以单质量弹簧体系过梁模型及某大跨度连续刚构的动力荷载试验,对该程序的有效性进行了验证。（4）系统地研究了16类常见车辆的车型、悬挂刚度、悬挂阻尼及行车状态对桥梁结构动力响应产生的影响;揭示了大跨度悬索桥主缆、吊索、中央扣、加劲梁及主塔等结构参数的变化对车-桥耦合振动的影响及规律,研究的结论表明桥梁结构在车-桥耦合振动的作用下,其对应的冲击系数并不单一的随着结构刚度的增大而增大或减少,不同结构部位对应的冲击系数不尽相同,相同结构部位的内力及位移冲击系数也存在较大的差异;此外,还基于极值外推法的基本原理,给出了极值外推法的基本流程,推出了不同桥面平整度状态下的随机车流对桥梁结构产生的最大动力响应及冲击系数。本文研究的结论可为日后车-桥耦合振动的研究打下坚实的基础,能为同类桥型的建养提供有益的借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 公路桥梁随机车流研究概况
• 1.2 公路桥梁有限元模型修正技术研究概况
• 1.3 公路桥梁车-桥耦合振动研究概况
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 公路桥梁随机车流模拟研究
• 2.1 概述
• 2.2 公路桥梁随机车流统计分析
• 2.2.1 随机车流统计方法
• 2.2.2 随机车流统计数据分析
• 2.3 公路桥梁车流量预测
• 2.3.1 灰度预测法
• 2.3.2 神经网络预测法
• 2.3.3 统计预测法
• 2.4 公路桥梁随机车流模拟程序编制
• 2.4.1 随机车流模拟基本原理
• 2.4.2 随机车流模拟程序编制
• 2.5 公路实桥随机车流统计分析
• 2.5.1 公路实桥车流统计分析
• 2.5.2 公路实桥随机车流预测
• 2.6 公路实桥随机车流模拟
• 2.6.1 单一车型随机车流模型（STVFM）模拟
• 2.6.2 单一车型时段随机车流模型（PT-STVFM）模拟
• 2.6.3 混合车型随机车流模型（ATVFM）模拟
• 2.6.4 混合车型时段随机车流模型（PT-ATVFM）模拟
• 2.7 本章 小结
• 第三章 桥梁结构有限元模型修正研究
• 3.1 概述
• 3.2 有限元模型修正技术研究
• 3.2.1 有限元模型建立及参数识别
• 3.2.2 有限元模型修正
• 3.3 实桥有限元模型修正
• 3.3.1 实桥简介
• 3.3.2 桥梁结构参数敏感性分析
• 3.3.3 桥梁结构动静力测试
• 3.3.4 桥梁结构有限元模型修正
• 3.4 本章 小结
• 第四章 车-桥耦合振动分析及程序编制
• 4.1 概述
• 4.2 车-桥耦合振动理论分析
• 4.2.1 车辆动力模型理论分析
• 4.2.2 桥面平整度模型分析
• 4.2.3 桥梁结构模型的自振特性理论分析
• 4.2.4 车-桥耦合振动理论分析
• 4.3 车-桥耦合振动程序编制
• 4.3.1 BDANS 程序计算流程
• 4.3.2 BDANS 程序概况
• 4.3.3 BDANS 程序基本功能
• 4.4 车-桥耦合振动程序验证分析
• 4.4.1 单质量弹簧体系过梁验证
• 4.4.2 大跨度连续刚构动力试验验证
• 4.5 本章 小结
• 第五章 大跨度悬索桥随机车流车-桥耦合振动分析
• 5.1 概述
• 5.2 随机车流模型影响分析
• 5.2.1 车型影响分析
• 5.2.2 车体结构参数分析
• 5.3 随机车流行车状态影响分析
• 5.3.1 行车方向影响分析
• 5.3.2 行车速度影响分析
• 5.3.3 行车车道影响分析
• 5.4 桥梁结构参数影响分析
• 5.4.1 主缆刚度影响分析
• 5.4.2 吊索刚度影响分析
• 5.4.3 中央扣刚度影响分析
• 5.4.4 加劲梁刚度影响分析
• 5.4.5 主塔刚度影响分析
• 5.5 随机车流作用下结构最大动力响应分析
• 5.5.1 结构动静力响应极值外推法
• 5.5.2 随机车流作用下结构最大动力响应分析
• 5.6 本章 小结
• 结论与展望
• 1、主要创新
• 2、主要研究结论
• 3、有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
• 致谢