风环境下高墩大跨连续刚构桥的行车安全性分析

基于风-车-桥耦合系统振动理论,建立风-车-桥耦合系统的运动方程。运用自编风-车-桥耦合程序,计算不同路面、不同车速和不同风速下车轮竖向接触力,分析路面等级、车速和风速对车辆行驶安全性的影响;以车轮折算压力为标准,采用概率统计方法建立车辆侧滑和侧倾事故模型,提高事故分析的可靠性,并结合工程实例,对风环境下车辆的动力响应进行了分析。计算了车辆行驶在不同车速下侧倾临界风速、不同风速下侧倾临界车速和4种不同路面状况下侧滑临界风速,为车辆在桥上行驶安全风速和车速确定提供依据。     

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-桥耦合振动系统的动力响应。以主跨1 088 m的苏通大桥为例,基于建立的地震-风-车-桥耦合振动分析平台,计算分析了日常风荷载与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应;并进一步探究了地震动完全空间变异性对地震-风-车-桥耦合系统车桥动力响应的影响。结果表明：处于日常运营阶段的大跨桥梁结构（仅承受风和车辆荷载）受到突发地震时,桥梁和桥上行驶车辆的动力响应将急剧增加,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20 m·s^-1的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%。虽然地震动是车桥耦合振动的控制荷载,但是日常风荷载对大跨桥梁车桥振动的影响不可忽略。地震发生后,车辆的横向加速度极值超过0.5g,竖向加速度极值接近1g,可能引起车辆的侧滑或翻滚,车辆的运行行为有待进一步研究。与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动完全空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化,可见在地震动输入时需要考虑完全空间变异性来保证得到的车桥响应结果偏于安全。     

基于风洞试验的桥梁行车安全分析研究

强风环境下桥上行驶车辆受风荷载影响发生侧翻、侧滑、横摆、剧烈晃动等事件频繁发生,严重影响车辆行驶的安全性、舒适性和通行效率。车辆气动力特性参数是影响行车安全的直接因素和重要指标,已有学者针对性地开展了研究工作。然而,既有研究成果主要以地面车辆和大跨度桥上车辆的气动力特性为主,少有文献考虑常规跨度桥梁及其附属结构对桥上车辆气动力特性的影响。因此,以某山区高墩组合梁桥和桥上厢式货车为研究对象,设计制作几何缩尺比为1∶15的桥梁和车辆刚性测压模型,开展系列风洞试验,研究车桥组合典型工况下厢式货车的气动力系数,并分析行车位置对车辆气动力特性及行车安全的影响,基于准静态理论和静力分析方法判断车辆侧翻和侧滑的临界风速。     

横风作用下跨座式公轨两用斜拉桥行车性能研究

跨座式单轨轨道交通是城市轨道交通系统的一种典型制式,具有转弯半径小、爬坡能力强、地形适应性强等优点。车辆通过窄轨距轮对骑跨在单根轨道梁上的走行方式,使其易受轨道结构振动影响,因此,横风作用下大跨度桥上的车辆运营性能很值得关注。建立了风-跨座式单轨车辆-桥梁耦合系统动力分析模型。以某海外工程的跨座式公轨两用斜拉桥方案为对象,基于风洞试验和数值模拟方法,获得了车-桥系统的气动参数,并通过风-车-桥耦合振动分析方法评估了横风作用下桥上跨座式单轨轨道交通的运营性能。研究表明：在桥梁风致振动激励下,当跨座单轨车辆通过桥梁主跨时,各项指标均显著增大,车体竖向加速度及稳定轮的响应增幅最为明显;在瞬时风速35 m/s横风作用下,桥上跨座式单轨车辆走行轮的轮重减载率均在0.8限值以内,能够满足行车要求。     

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。     

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。     

沪通长江大桥主航道桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究沪通长江大桥主航道桥在侧风下桥上行车的车辆抗风安全性,提出风-车-轨-桥系统耦合振动分析框架。该系统动力学模型不仅考虑了轨道结构的参振,其采用的轮轨动态耦合模型还突破了传统轮轨为刚体并始终保持密贴的假定。此外,气动荷载还考虑了桥梁、车辆的存在对彼此的影响。针对沪通长江大桥主航道桥,利用自主研发的WTTBDAS软件对不同车速、风速下系统的动力响应进行分析和讨论,结果表明:车速和风速均对系统动力响应有较大的影响,当风速达到20m/s后,车辆的运行安全性和乘坐舒适性主要由风速控制。根据相应的动力性能评价指标,得到了大风天气下桥上行车的车速-风速阈值。     

斜风作用下风-车-桥非线性分析系统建立

为了从风作用方向的三维模拟和系统非线性2个角度实现风-车-桥系统的全三维高真实度模拟,首先建立斜风荷载处理方法,采用平均风分解理论对桥梁斜风进行分解,形成桥梁斜风荷载,把桥梁风作用方向模拟域由垂直于桥梁纵轴线的二维平面扩展到三维空间;采用矢量合成法则和线性插值方法,依据车辆位置函数确定桥上车辆任意位置和时刻的合成风速,并基于风洞试验获取车辆气动力系数,形成车辆斜风荷载。然后基于已建立的非线性分析系统,融合斜风荷载处理方法,构建斜风作用下的风-车-桥全三维非线性分析系统,并实现动态可视化。最后采用建立的分析系统,对系列风偏角工况下的桥梁空间动力响应和车辆安全进行分析和评价。结果表明：斜风作用下,桥上车辆事故指标值及桥梁位移响应随着风偏角增大总体上均呈现先减小后增大趋势,且极值均出现在非90°的锐角区;基于风向垂直于桥跨方向的假定所进行的桥梁设计和车辆安全性评价结果偏于不安全。     

常泰长江大桥主桥风-车-线-桥耦合分析

常泰长江大桥为主跨1 176 m的双塔双索面公铁两用双层斜拉桥。为研究侧风作用下该桥的动力响应以及桥上高速列车的行车安全性,采用WTTBDAS V2.0软件建立风-车-线-桥耦合分析模型,分析不同风速及车速下单、双线CRH2列车通过桥梁时车辆和桥梁的动力响应。结果表明:桥梁主跨跨中横向位移和横、竖向加速度随风速增大而增大,竖向位移受风速影响较小,车辆响应随风速增大而增大;桥梁主跨跨中横向位移和加速度响应在风速小于20 m/s时受车速影响不大,竖向位移和加速度随车速增大而增大;车辆的响应随车速的增大而增大,当风速达20 m/s后,车辆的动力性能主要由风速控制;单、双线行车时,桥梁的竖向动力响应差异较大,车辆的动力响应差异较小。根据风-车-线-桥耦合分析结果,结合现有的安全性和舒适性评价指标,提出大风天气下桥上行车的风速-车速阈值,当横向平均风速30 m/s时,应封闭线路。     

阵风下高速列车-独塔斜拉桥耦合振动分析

大跨度桥梁一般较柔且桥面较高,车辆与桥梁间耦合作用明显,桥面风速较大时车辆风荷载也将增大,列车-桥梁系统抗风安全性成为重要课题。为了研究阵风环境下高速列车驶过独塔斜拉桥时的耦合振动特性,利用有限元方法建立多自由度有限元独塔斜拉桥子系统（转为线性弹性体）,利用多刚体动力学方法建立CRH3四动四拖八辆编组高速列车子系统,在两子系统基础上,搭建起高速列车-独塔斜拉桥刚-柔耦合大系统。利用线性滤波法并考虑空间竖向和横向相关性生成了空间脉动阵风,其作为外部激励输入车-桥系统中,选用Park数值积分方法进行了求解。在此基础上,通过时域/频域方法分析阵风激扰对车-桥系统的影响,并继续研究风攻角、行车速度对车辆安全运行的影响,并得到相应条件下的车速限值。研究结果表明：利用有限元与多体动力学方法结合的刚-柔耦合系统同时阵风作为激励输入,可以有效模拟风-车-桥系统;空间脉动阵风使得车-桥系统各动力学响应明显加剧,并激起车辆及桥梁的低频振动;车速提高使桥面低频及车辆中低频振动被激起,振动向更高频率移动;风攻角在60°~90°时影响最大;在预设条件下,车速为230 km·h^-1时,列车轮重减载率已超过安全限值（0.8）,此时列车在桥梁上行驶安全已无法得到保证。     

风环境下大跨度斜拉桥上的车辆驾驶舒适性评价

建立了风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆驾驶舒适性评价体系.在综合考虑汽车-桥梁系统空间耦合关系的基础上,提出了能够考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车-桥梁耦合振动、系统的时变特性以及结构几何非线性和气动荷载非线性影响的风-汽车-桥梁系统空间耦合分析模型,该模型可以预测风环境下桥梁上通行车辆的行驶安全性及驾驶舒适性;建立了车辆驾驶员位置处驾驶舒适性评价方法,并采用ISO 2631-1-1997标准对不同路面粗糙度下行驶于杭州湾跨海大桥的车辆驾驶舒适性进行了评价.评价结果表明:路况越差,车辆的驾驶舒适性越差,且所计算工况下车辆的竖向和侧向驾驶舒适性均满足ISO 2631-1-1997标准.     

风屏障破坏所致风载突变对桥梁列车行车安全影响研究

为研究桥上风屏障局部破坏对桥梁列车行车安全性的影响，以某四塔公铁两用斜拉桥为背景，进行列车动力响应和行车安全性影响参数分析。推导列车通过风屏障破坏段时车辆和桥梁的风荷载，并通过桥梁和列车节段模型风洞试验，测得计算所需气动力系数；在此基础上建立风-车-轨-桥耦合振动模型，研究了风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速对列车动力响应及行车安全的影响。结果表明：突风效应会导致列车横向位移达到最大值，遮风效应会使列车横向加速度达到最大值；随风屏障破坏段长度、平均风速和列车车速的增加，列车动力响应随之增加；风屏障破坏会增加列车的轮重减载率和脱轨系数，并且高风速下各节车辆在风屏障破坏段的脱轨系数差异较大；仅在风速不大于10 m/s时，列车可以180 km/h的车速安全通过风屏障破坏段。     

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。     

竖弯涡振作用下桥上列车行车安全舒适性研究

为研究高速铁路桥梁竖弯涡振对桥上列车行车安全舒适性的影响,以某大跨公铁两用斜拉桥和CRH2型动车组为背景,进行风-车-轨-桥耦合系统振动分析。基于ANSYS与SIMPACK联合仿真平台,引入桥梁涡激力数值模型,建立风-车-轨-桥耦合系统振动模型,对比10 m/s平均风速下主梁发生与未发生竖弯涡振时桥梁和列车的动力响应,并分析不同列车速度的影响。结果表明：竖弯涡振会加剧桥梁和列车的竖向响应,而列车的存在会使发生竖弯涡振时的桥梁竖向位移和加速度分别降低31.8%和42.4%,对主梁竖弯涡振具有一定的抑制作用;主梁发生竖弯涡振时列车行车安全性指标峰值和竖向舒适性指标(竖向加速度和竖向Sperling指标)峰值明显大于未发生竖弯涡振时,并均随着车速的增大而增大;当车速超过230 km/h时,列车轮重减载率超过安全限值0.6,当车速超过200 km/h时,桥上列车竖向加速度超过安全限值1.3 m/s²。     

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。     

考虑车辆位置影响的风-车-桥系统耦合振动研究

风-车-桥耦合振动系统中车辆位于桥道的气动绕流之中，车辆所受气动力与车辆位置密切相关。首先测试了车辆位置对车辆及桥道气动力的影响，建立了空间耦合的风-车-桥系统分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景，采用自行研发的桥梁结构分析软件BAN-SYS，对比分析了车辆位于桥道迎风侧和背风侧时风-车-桥系统的耦合振动情况。分析结果表明，风-车-桥系统耦合振动分析中考虑车辆位置的影响是必要的。     

跨海长桥风致行车安全研究

基于风作用下车辆模型行驶极限状态分析获得了相应的安全行驶临界风速,应用概率统计方法建立了桥位风速统计和极值风速概率分布模型,桥面风环境测速风洞试验给出了自然风与桥面行车风环境的关系,进而评估了自然风作用下车辆不同车速条件下的桥面行驶安全性。采用上述评估方法针对杭州湾跨海大桥的研究,表明了风障措施提高桥面行车安全的有效性。     

基于风速风向联合分布的桥面侧风所致车辆事故概率性分析

采用风速概率密度函数和风向频度的乘积表示联合概率密度函数,用极大似然法和概率曲线相关系数法相结合的逐步迭代估计法估计杭州湾跨海大桥桥位处桥面高度各风向的有效最优概率分布类型及参数;利用已建立的风-汽车-桥梁系统安全性分析框架计算得到各个方向下车辆发生事故的临界风速;为了确定桥面局部风环境的状况,在同济大学TJ-3风洞中进行了杭州湾跨海大桥桥面风环境风洞试验研究,并引入等效桥面风速和影响系数以考虑桥梁结构绕流和附属构造物对行车高度处风速的影响;最后,对杭州湾跨海大桥的行车安全进行了基于风速风向的概率性分析,并研究了增设风障对行车安全的影响。结果表明:增设风障是一种非常有效的提高安全行车概率的方法;杭州湾跨海大桥全桥采用70%透风率的风障完全可以满足车辆安全行驶的要求。     

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。     

重庆至利川铁路韩家沱长江大桥动力响应控制技术

重庆至利川铁路韩家沱长江大桥为客货共线双线铁路桥,主桥采用(81+135+432+135+81)m钢桁梁斜拉桥。为保证其动力安全性,对行车和地震引起的结构振动、钢桁梁风致振动及风-车-桥系统耦合振动控制技术进行研究。该桥塔梁约束采用组合控制体系,即利用带控制开关的新型锁定装置控制行车引起的结构振动,利用液压粘滞阻尼器控制桥梁的地震响应,二者协同工作。采用在下弦杆底部设置外张导流板的措施抑制钢桁梁在低风速下的竖向涡激振动现象,导流板吊点高度设为0.6m、倾角设为5.5°,导流板纵向分段长度取为1倍导流板宽度。根据风-车-桥耦合振动分析,考虑安全因素,制定各种风速下列车运行时的车速标准。经多年通车运营检验,该桥动力响应控制技术效果良好。