风—汽车—桥梁系统空间耦合振动研究

【摘要】：风—汽车—桥梁系统空间耦合振动是风—桥相互作用、风—汽车相互作用及汽车—桥梁相互作用三方面协调工作的结果，其振动特性决定于自然风特性、车辆动力特性、桥梁振动特性、车辆和桥梁气动特性相互影响等多种因素。在发展完善风—桥相互作用、风—汽车相互作用及汽车—桥梁相互作用的基础上，将风、汽车、桥梁三者作为一个相互作用的系统，提出一个较为完善的风—汽车—桥梁系统空间耦合振动分析模型。本文主要研究内容如下： 1、为了进行对现有抖振时域分析理论的实例验证，在杭州湾跨海大桥全桥模型风洞试验中，不仅对抖振位移进行了测量，还通过在塔根布设动态应变片完成了桥塔内力的实测。采用改进的谐波合成方法实现了三维空间脉动风场的模拟，风场模拟时采用了风洞中实测的紊流风速谱。空间相关性是影响桥梁抖振响应的一个重要因素，在杭州湾跨海大桥风洞试验中，对风洞空间相关性进行了测量研究，并在风场模拟时将衰减因子取为实测值。同时，介绍了桥梁结构上的不同风荷载的处理方式，编制了相应的非线性颤抖振动力分析程序，并采用了不同的数值算例进行验证。以杭州湾跨海大桥为例，探讨了桥塔和斜拉索上的脉动风、空间相关性、Sears函数以及风谱对抖振响应的影响。 2、对现有车辆的类型进行合理的划分，选择典型车辆进行风洞试验以获得其气动力系数。采用一个更加合理的、符合实际并能较全面考虑众多因素的侧风作用下车辆动力分析模型，在考虑路面粗糙度和车辆悬挂系统的基础上，能够预测行驶在路面上的车辆突然受到侧向阵风的安全性。探讨了路面粗糙度，干、湿、雪、冰路面状况以及车辆悬挂系统对行车安全的影响，获得了侧风作用下典型车辆的安全行车风速标准。此外，对侧风作用下行驶于路面上车辆舒适性进行评价，并对路面粗糙度、平均风速以及车速对车辆驾驶舒适性的影响进行了研究。 3、将整个汽车—桥梁系统划分为车辆与桥梁两个子系统，引入汽车—桥梁系统几何协调条件和力学平衡关系，采用分离迭代法编制了汽车—桥梁系统空间耦合振动分析程序，并分别采用集中力匀速通过简支梁、弹簧质量系统匀速通过简支梁和江阴长江公路大桥动载试验对程序的可靠性进行了验证；以杭州湾跨海大桥和润扬长江公路大桥为工程实例，运用所编制程序详细研究了车辆数目、车辆间距、不同车道、车辆相向行驶、不同路况、以及不同车速时车流通过桥梁时桥梁的动力响应和冲击系数，同时对斜拉桥和悬索桥在车流通过时的振动特征进行了对比分析，得到了一些有益的结论。 4、为了考虑车轮相对于桥梁的侧向耦合关系，在车轮与桥面之间引入了一个特殊阻尼器，这个阻尼器的阻尼系数依赖于车辆与桥梁的未知运动。在综合考虑汽车—桥梁系统空间耦合关系的基础上，提出一个较为完善的风—汽车—桥梁系统空间耦合分析模型，该模型能够综合考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车—桥梁耦合振动、风荷载对车辆的影响、系统的时变特性以及结构几何非线性和气动荷载非线性的影响等。运用所编制的程序研究了路面粗糙度、风速以及干、湿、雪、冰路面状况对行驶于桥梁上的车辆安全性的影响，并给出了典型车辆在桥梁上发生事故的临界风速；研究了侧风和桥梁振动对车辆驾驶舒适度的影响以及侧风和车辆移动荷载对桥梁振动的影响。