公路桥梁与车辆耦合振动研究现状与发展趋势

近年来,随着公路交通事业和大跨度桥梁的发展,桥梁在重载、高速公路车辆荷载作用下的振动性能与车辆行车安全控制越来越受到研究者的广泛关注。该文首先简要回顾了公路车桥耦合振动早期的实验研究和古典分析理论,然后,重点针对目前公路桥梁与车辆耦合振动研究现状中的车辆分析模型、桥梁分析模型、路面不平顺及数值计算方法等几个方面,系统归纳和总结了其主要成果;同时,指出目前公路车桥耦合振动研究工作中尚存的有待进一步完善的问题,探讨了今后的研究发展方向。     

中下承式拱桥吊杆应力冲击系数不均匀性研究

为研究中下承式拱桥在公路车辆作用下的吊杆冲击系数不均匀性问题,提出基于车桥耦合振动的公路桥梁动力响应分析方法。首先,将车辆简化为4个自由度的整车模型,根据D’Alembert原理推导了车辆振动方程,将桥梁离散为有限元模型,根据车辆与桥梁接触点处位移与力的协调条件耦合二者的振动方程;然后,采用Newmark-β算法,基于MATLAB语言编制了公路桥梁车桥耦合振动计算程序VBAP;最后,以某钢管混凝土拱桥为例,利用该方法与程序分析结构阻尼、桥上路面粗糙度、车重及车速对吊杆应力冲击系数的影响。     

乘客-车辆-桥梁耦合振动分析

为了更加准确地对乘车舒适性进行评价,建立了乘客-车辆-桥梁系统耦合振动分析模型,通过拉格朗日方程推导了系统的动力微分方程,Newmark积分进行迭代计算,采用Fortran语言编程进行求解,分别计算了桥梁、车辆及乘客的振动响应,并与通常的车辆-桥梁耦合振动模型计算结果进行对比。结果表明:是否考虑乘客模型对于桥梁的位移影响比较有限,但是对于车辆的振动状态会产生明显影响,且车辆与乘客的运动响应存在明显差异,因此采用车辆的振动响应对乘车舒适性进行评价的方法可能会过高地估计乘客的舒适性。     

大跨桥梁行车振动测试与舒适性分析

为研究大跨桥梁行车振动舒适性,对5座不同环境下的大跨桥梁行车内部振动进行了现场实测,基于实测数据分析了车辆动力特性、桥面动力特性、桥面不平整度以及车速等对行车振动的影响,此基础上对车辆行车振动舒适性进行了分析。通过采用小波变换的方法对车辆内部振动信号的时频域分布规律进行分析可以发现车辆内部振动信号的能量分布:在竖向受车辆动力特性的影响较大,在横向受桥面动力特性影响较大。桥面不平整度和伸缩缝对行车内部振动的幅值影响较大。行车内部竖向振动随着车速的增加而增大;对于风速较大的跨海大桥,当车速超过80 km/h时,行车内部横向振动急剧增大。研究成果为合理评价大型桥梁行车振动舒适性具有重要的参考价值。     

高速车辆过桥时的舒适性分析

车辆过桥引发的振动问题已有很多研究，目前大部分工作集中在桥梁结构的安全性方面，本文从舒适性角度出发，讨论了桥梁结构的振动对车辆垂向加速度的影响，基于移动荷载简支梁模型，给出了车辆垂向加速度与车速及梁桥固有频率之间的数学关系，并分析了路桥过渡段及临界速度情况下车辆的最大加速度。     

含呼吸裂缝的桥梁振动响应与时频特性分析

本文对车桥耦合系统的动力响应进行时频特性分析。以欧拉梁模拟有损伤的桥梁,以两轴汽车模型模拟移动车辆,利用有限元法建立了有损伤桥梁结构在车辆作用下的运动方程。运用Newmark直接积分法计算出了车桥耦合系统的振动响应,分析了不同裂缝模型对桥梁动力响应的影响,并借助Hilbert-Huang变换获得损伤桥梁动力响应的时频谱和边际谱,结果表明由于呼吸裂缝的影响,桥梁动力响应将呈现出明显的谐波效应;进一步对比不同车流状况作用下桥梁动力响应的时频特性,车流会对桥梁呼吸裂缝的开合变化产生影响,随着车辆的数目增多,桥梁振动加剧,谐波能量也增大。     

基于有载频率的简支梁桥自振频率计算方法

由于车辆的存在,在桥梁的动力试验中,测试到的桥梁频率实际上是以桥梁振动为主要振动形式的车-桥耦合系统的振动频率(工程上称为有载频率),而非桥梁自身的固有频率.基于车-桥系统的耦合振动模型和模态分析技术,提出了多个车辆作用下的桥梁有载频率计算方法.在中小跨径的公路桥梁的动态检测中,往往采用单个车辆对桥梁进行激振.对此推导...     

车辆通过钢箱梁桥伸缩缝的振动响应及减振

车辆在经过桥梁伸缩缝时的跳车问题已成为影响桥梁健康的重要病害之一。以简支钢箱梁桥为对象,在车桥耦合振动计算理论的基础上,通过修改伸缩缝处的路面条件来模拟伸缩缝的影响,并通过小波变换研究车辆经过伸缩缝时的时频域振动特性,并针对此类振动的桥梁减振效果进行分析。计算表明：由于伸缩缝的存在,明显加大了车辆对结构的冲击效应,且作用的响应以高频为主;伸缩缝处的特性、车速与车重对车辆经过伸缩缝产生的冲击响应都有显著的影响;梁端填筑混凝土法能有效的降低此类振动产生的冲击效应。     

一种基于桥梁变形后构形的车辆—柔性桥梁竖向耦合模型

基于车—桥振动桥梁变形后的构形,建立了考虑桥梁变形的车—桥耦合模型。类似于结构抗震分析中,将地震作用下结构的动位移分解为拟静力位移和结构动位移,本文将车辆的运动分解为整体顺着桥面运行和相对自身局部系统的振动。以单轴车辆—简支梁桥为例,建立了基于桥梁变形后构形的车—桥系统竖向振动方程。最后,通过简支梁数值算例对由于桥梁变形产生的附加力进行了分析和研究。     

铰接板桥交通振动与声辐射算法及影响因素研究

铰接板桥是中国城乡公路桥梁中广泛采用的一种桥型,其在车辆作用下的振动,以及由此导致的结构声辐射问题对于桥梁周边的声环境具有较大影响。因此,针对铰接板桥的交通振动与噪声问题,提出了对应的分析方法并进行了验证。首先提出了该类桥型的车桥耦合振动高效算法,对各梁板建立独立的单梁模型,用铰接板梁法模拟各梁板之间的相互作用,由此实现车轮荷载在各梁板间的横向传递。然后用边界元法计算桥梁结构的声辐射,引入振动分析得到的桥梁振动速度,获得结构周边的声场。最后,用实际桥梁交通振动与声辐射实验进行了验证。基于当前方法,讨论了该类桥梁结构声辐射的影响因素。结果表明,加强横向联系、减小桥面粗糙度、采用无伸缩缝的连续桥面是降低结构声辐射的有效途径。     

Hermite插值在车桥耦合振动中的应用

车桥耦合竖向振动分析中，轮对和与其接触的桥梁竖向位移相等，但振动速度、加速度并不相等，传统方法用轮对与桥梁接触点处桥梁振动速度和加速度代替轮对的振动速度、加速度。本文通过引进Hermite插值函数，推导出车辆以一定速度过桥时轮对竖向位移、振动速度和加速度理论值，并且轮对的竖向位移、振动速度和加速度可由轮对所在桥梁单元节点的竖向位移、振动速度和加速度求得，在有限元动力计算中易于实现。本文的算例表明在车辆低速过桥情况下，用轮对所在位置桥梁的振动速度、加速度来代替轮对的振动速度、加速度误差很小，但是车辆高速过桥时，计算结果误差较大。     

冰-车-桥系统耦合振动分析

为了研究桥梁结构在车辆和冰荷载共同作用下的振动反应,提出了冰-车-桥系统耦合动力分析框架。在该框架中,每辆车都被视为一个多自由度的运动系统,桥梁结构采用有限元方法进行建模,利用罚函数定义了车轮与桥面之间的接触关系,实现了各子系统之间的接触与交互作用。基于自激冰力模型得到了依赖于冰与结构相对速度的桥梁结构自激冰力,构建了冰-车-桥系统的耦合动力方程,进而开展了冰-车-桥系统耦合振动分析及行车安全评估。研究结果表明：桥梁竖向振动反应随车速的增加而增大,桥梁横向振动反应则受到了冰荷载的控制;车辆的竖向反应主要依赖于车-桥之间的相互作用力,车辆的横向反应则受冰与桥梁之间相互作用力的主导,车辆与桥梁的交互作用受到了车速和冰速的双重影响;快冰速会增大车辆的横向接触力,降低车辆的最小侧滑抗力,不利于行车安全;冰荷载作用下桥上车辆的前轴车轮比后轴车轮更容易发生侧滑;所提出的冰-车-桥系统耦合动力分析框架可为冰荷载作用下跨海桥梁的行车安全评估提供参考。     

城市轨道交通高架结构振动与声辐射研究

为研究城市轨道交通所引起的高架结构的振动及声辐射水平,采用有限元方法分别建立了连续梁桥的三维振动分析模型及二维声场分析模型,计算了当列车以60km/h的速度通过时桥梁的动力响应及辐射声压。通过频谱分析,声压频谱峰值除在160 Hz附近出现一个明显的峰值外,与振动频谱分布基本相同。相干性分析结果表明,连续梁桥控制90Hz以内的振动,将直接有效的控制辐射声压水平。通过改变桥梁阻尼、支座刚度、行车速度和车辆荷载等参数,计算分析了各参数对结构振动与噪声的影响程度     

考虑桥面等级退化影响的风-车流-桥梁耦合振动分析

综合考虑了车流随机性和桥面等级退化等因素,提出了一种新的分析模型,该模型能分析在役桥梁不同服役期间在交通荷载及风耦合作用下的桥梁动态响应。基于已有车辆模型,建立了一个可考虑车辆纵向振动的18自由度空间车辆模型,考虑邻近车辆影响基础之上的改进CA(Cellular Automation-元胞自动机)模型和桥面退化模型,并引入等效车轮荷载的方法,通过风、桥梁和车辆相互作用关系,建立了风-车流-桥梁系统的耦合振动分析模型。数值计算表明:该文所提出的方法能够合理的模拟风-车流-桥梁系统的耦合振动。     

车桥耦合振动分析的Haar小波方法

利用Haar小波方法对车桥系统耦合振动问题进行了求解，得到了随机路面不平顺作用下车辆行驶速度与车辆、桥梁振动水平的关系。通过与传统的Runge—Kutta法进行比较可以看出，Haar小波方法在车桥耦合动力响应计算方面，具有计算时间少、计算准确性高的优势。     

考虑车体柔性的车桥耦合系统建模与分析方法

铁路车辆车体的柔性是其固有属性.假设车体为柔性体而轮对、构架为刚性体,并将车辆视为通过赫兹接触弹簧支撑在轮轨接触界面之上的空间结构.在通用有限元软件中采用刚度极大的梁单元建立轮对和构架模型,而采用刚度适当的梁单元建立车体模型,并利用弹簧单元模拟第一系和第二系悬挂线弹性刚度.将车辆悬挂系统的阻尼力、作用在轮对上的轮轨力作为虚拟力施加在车辆子系统上,将作用在轨道上的轮轨力类似地作为虚拟力施加在桥梁子系统上.对车辆线弹性有限元模型以及桥梁有限元模型进行模态分析,结合采用模态叠加法和拟力法形成车辆-桥梁耦合系统运动方程,运用迭代方法求解系统振动响应.对高速列车通过多跨简支梁时的刚性和柔性车体振动现象分别进行数值仿真再现,既验证了提出的计算方法,也表明考虑车体柔性对共振时车体加速度计算值有较大影响,而对桥梁加速度基本无影响.     

高速铁路减振CRTS-Ⅲ型无砟轨道桥梁振动噪声研究

以减振CRTS-Ⅲ型轨道系统为研究对象,基于车辆、轨道、桥梁系统二维模型,利用动柔度法分别计算车辆和轨道系统的动柔度,建立频率域的车辆-轨道耦合模型,计算桥梁振动加速度并与常规CRTS-Ⅲ型轨道系统相比较。采用有限元法计算桥梁结构近场点和远场点噪声,探讨桥梁各子结构板对近场点和远场点噪声的声贡献率。计算结果表明：与常规CRTS-Ⅲ型轨道系统相比,减振CRTS-Ⅲ型轨道系统下,桥梁的振动峰值加速度减小69.9%,加速度平均值降低60.4%;近场和远场噪声计算点声压级分别降低8.4、8.5dB;桥梁顶板声贡献率分别达65.28%,68.30%。采用减振CRTS-Ⅲ型轨道系统能够有效的降桥梁结构噪声。声贡献率计算表明顶板振动是导致桥梁噪声的主要噪声源。     

基于增秩Kalman滤波的移动车辆荷载在线识别

提出了一种基于增秩Kalman滤波(augmented Kalman filter,AKF)的移动车辆荷载在线识别方法.将车辆荷载向量与桥梁结构状态向量联立构成增秩状态向量,基于AKF算法,利用桥梁状态空间方程和少量振动响应获得增秩状态向量的无偏最小方差估计,进而实时识别车辆荷载.以简支梁-弹簧质量车桥耦合系统为数值分...     

爆破振动与车辆振动信号时频特性对比分析

工程爆破以及过桥车辆都会引起桥梁的振动效应.根据现场实测数据,基于MATLAB软件信号分析处理平台,利用RSPWVD与小波分析相结合的方法对2种振动信号的时频特性进行对比分析,结果表明:车辆振动较爆破振动主频低且持续时间长,能量主要集中在10 Hz以内的低频部分且持续时间长并随着能量的降低其能量持续时间趋于稳定;爆破振动信号的能量主要集中在10～50 Hz之间,能量持续时间随频率的增大而有所延长.分析结果可为2种振动信号作用下桥梁动态响应的研究提供基础,也可为公路桥梁的振动控制提供依据,或可为类似的工程提供借鉴.     

横风作用下考虑车辆运动的车桥系统气动特性的数值模拟研究

车辆和桥梁气动力参数的准确识别是风-车-桥系统耦合振动研究的前提,目前大多数研究中通常忽略了车辆和桥梁间的相对运动。由于采用风洞试验测量手段研究此类问题存在一定困难,因此该文基于CFD数值仿真平台采用动网格技术模拟计算了横风作用下考虑车辆运动的车辆和桥梁气动特性,分析研究了风场的紊流特性、车辆的运动速度以及车桥的相互气动干扰对车辆和桥梁气动特性的影响。计算结果表明:车辆和桥梁的气动力特性受车辆的运动速度和车桥间的相互作用影响较大,风场的紊流特性对车辆和桥梁的气动力也有一定影响。最后通过对比分析单车、桥和车-桥耦合的流场压力和速度云图,探讨了车辆和桥梁气动力的相互作用机理。