大件运输中公路桥梁冲击系数产生机制及可靠度评估研究

摘要

随着我国公路大件运输事业的日趋繁荣，公路桥梁的安全运行受到了越来越大的挑战，如何建立一套快速有效的大件运输公路桥梁安全评估方法就此提上日程，而对大件运输中公路桥梁动力响应及可靠度的研究是桥梁结构安全评估的基础。本文对低速行驶大件运输车辆作用下桥梁结构的动力响应及可靠度进行了相关研究，主要工作及结论如下:
　　(1)采用广义虚功原理和空间有限元法分别建立了超多自由度大件运输车辆和桥梁结构的振动模型，引入改进的拟静力法即β-θ法对车辆的振动微分方程进行求解，利用车轮和桥面的位移协调条件实现振动的耦合，基于APDL语言利用ANSYS中的多点重启动功能实现了车-桥耦合振动的求解。
　　(2)对大件运输中桥梁结构的动力响应进行了实桥试验和理论对比分析，并采用正交试验和支持向量回归机v-SVR进行了参数反演。桥梁结构动力响应的实桥试验结果和理论分析结果吻合较好。正交试验和支持向量回归机v-SVR的结合明显提高了参数反演的效率，基于v-SVR预测模型的精度能够满足工程需要。当大件运输车辆以6.2km/h的低速通过桥面不平度为B级的简支板桥时，其实测冲击系数仍然达到0.119，不可忽略，在对大件过桥进行安全评估时，即使运输车辆以低速通过，也应考虑车辆荷载的冲击作用。在满足交通安全的前提下，不应过度限制运输车辆的速度，对桥面进行平整度处理是降低车辆冲击效应的有效方法。
　　(3)采用传递矩阵法推导了国际平整度指数IRI的计算公式并对国际平整度指数与车辆行驶速度的关系进行了分析。基于Wiener-Khintchine定理，本章从理论上建立了国际平整度指数IRI与路面功率谱密度PSD之间的关系，并利用三角级数法推导出适用于大件运输低速行驶条件下的一维路面和二维路面重构公式。
　　(4)利用正交试验法识别出大件运输中影响桥梁结构冲击系数的主要因素，即混凝土弹性模量、桥面平整度等级、车辆行驶速度和结构瑞利阻尼常数。通过对车-桥耦合作用力各组分的分析，揭示了桥梁结构冲击系数的产生机制。混凝土弹性模量和结构瑞利阻尼常数主要影响桥梁结构的动力特性，是影响桥梁结构冲击系数的内因;桥面平整度等级和车辆行驶速度主要影响车-桥耦合作用力，是影响桥梁结构冲击系数的外因。
　　(5)桥面不平度的分布形式对冲击系数的影响较大，利用基于国际平整度指数IRI的桥面不平度重构公式和对冲击系数概率性的研究，推导得到了基于IRI的冲击系数拟合公式。随着国际平整度指数IRI的增大，即桥面状况的变差，桥梁结构的冲击系数呈直线增长。
　　(6)考虑大件运输低速通行和桥梁结构抗力退化的特点，采用基于Matlab优化工具箱的结构可靠度计算方法，建立了桥梁结构抗力、恒载效应和活载效应的概率分布模型，在对抗力衰减函数分析的基础上提出了较为实用和可靠的大件运输公路桥梁时变可靠度分析方法。大件运输考虑冲击系数后，桥梁结构的可靠度会下降，随着IRI的增大，结构可靠度指标逐渐变小。结构加固会明显提高大件运输中公路桥梁的可靠度，增设弹性支承方法对于桥梁结构可靠度的影响与弹性支承的刚度密切相关。
　　(7)提出了大件运输中公路桥梁的实用可靠度评估方法和流程框图，根据不同的评估阶段和不同需要可以采用不同的流程和步骤对桥梁结构的可靠性进行评估并提出安全通行建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 公路大件运输在中国的发展

1．1．2 大件运输给公路桥梁带来的承载能力、可靠度等问题

1．1．3 本研究的目的及意义

1．2 本文相关研究现状

1．2．1 现代公路桥梁与车辆耦合振动研究现状

1．2．2 路面不平度模拟研究现状

1．2．3 桥梁结构可靠度研究现状

1．3 本文主要研究内容及技术路线

1．4 本章小结

第2章 车桥耦合振动模型分析及程序编制

2．1 引言

2．2 大件运输车辆动力学模型

2．2．1 车辆振动分析

2．2．2 单体车辆动力平衡方程的推导

2．2．3 联体车辆动力平衡方程的推导

2．3 大件运输车辆-桥梁耦合振动模型的求解

2．3．1 车桥耦合模型的位移协调条件

2．3．2 采用改进的拟静力法求解车辆振动方程

2．3．3 车-桥耦合振动数值求解及程序实现

2．3．4 编制程序正确性验证

2．4 本章小结

第3章 大件运输中公路桥梁的动力响应试验及参数反演

3．1 工程概况

3．2 简支梁桥动力响应试验

3．3 实测桥面不平度与功率谱估计

3．3．1 基于AR模型的功率谱估计

3．3．2 AR模型参数提取的Burg算法

3．3．3 实测桥面不平度与功率谱估计

3．4 基于支持向量回归机v-SVR的车桥耦合振动参数反分析

3．4．1 支持向量回归机理论及算法

3．4．2 预测回归模型的建立及参数反演

3．4．3 大件运输中桥梁的动力响应

3．4．4 大件运输中车辆的动力响应

3．4．5 大件运输中桥梁的冲击效应

3．5 本章小结

第4章 基于国际平整度指数的桥面不平度重构

4．1 引言

4．2 国际平整度指数与行驶速度的关系

4．2．1 国际平整度指数的计算

4．2．2 国际平整度指数与行驶速度的关系

4．3 基于国际平整度指数的桥面不平度重构

4．3．1 IRI与路面功率谱密度PSD的关系

4．3．2 基于IRI的桥面不平度重构

4．4 本章小结

第5章 大件运输中公路桥梁冲击系数的产生机制研究

5．1 引言

5．2 大件运输中桥梁冲击效应的影响因素

5．2．1 影响因素分析

5．2．2 桥梁结构模型

5．2．3 车辆模型

5．2．4 正交试验及主要影响因素识别

5．3 大件运输中冲击系数的产生机制及概率分布

5．3．1 大件运输中冲击系数的产生机制

5．3．2 桥面平整度分布形式对冲击系数的影响

5．3．3 基于桥面平整度分布形式的冲击系数概率分布

5．4 大件运输中常规桥梁的冲击系数及实用计算公式

5．4．1 本文所研究常规桥梁的类型及参数

5．4．2 常见大件运输车辆的基本参数

5．4．3 典型桥梁的动力响应

5．4．4 常规桥梁的冲击系数及实用计算公式

5．5 大件运输中常用的桥梁加固方法及其对冲击系数的影响

5．5．1 大件运输中常用的桥梁加固方法

5．5．2 桥梁加固对于冲击系数的影响

5．6 本章小结

第6章 大件运输中公路桥梁可靠度评估研究

6．1 引言

6．2 结构可靠度计算方法

6．3 桥梁结构或构件的承载能力检算表达式

6．4 荷载效应及时变抗力概率模型

6．4．1 荷载效应概率模型

6．4．2 时变抗力概率模型

6．5 最低可靠指标

6．6 大件运输中公路桥梁时变可靠度评估

6．6．1 大件运输中公路桥梁的时变可靠度

6．6．2 桥梁加固对于可靠性的影响

6．6．3 大件运输中公路桥梁的实用可靠度评估方法

6．7 本章小结

结论与展望

1．主要创新点及研究结论

2．进一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

主要参与的科研项目及获奖情况

致谢