风—车—桥系统非线性空间耦合振动研究

摘要

该文将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合振动系统,较全面地考虑了风桥间的流固耦合作用、车桥间的固体接触耦合作用、风对车的空间脉动作用及整个系统的时变特性.首先,基于自由振动信号,提出了一种颤振导数识别的新方法——加权整体最小二乘法(WELS),以识别桥道断面的颤振导数.为考虑斜拉桥桥塔风效应,根据大跨度斜拉桥结构形式特点,结合脉动风的相关特性,提出了一种简化的大跨度斜拉桥三维脉动风场模拟方法.针对桥址区风速观测记录的特点,证明了利用不同高度处月最大风速记录推算地表粗糙度影响系数的可行性,并对通过最小二乘拟合得到的地表粗糙度影响系数进行统计分析,最终确定桥址区风特性.采用研制的三分力分离装置——交叉滑槽系统(Crossed Slot System)对车—桥系统的气动特性进行了测试,得到了考虑车桥气动相互影响的三分力系数.基于测试的气动参数和模拟的脉动风速场,给出了车辆和桥梁静风力、抖振力及自激力的时域表达式.其次,基于欧洲低干谱,模拟了轨道不平顺样本.建立了轮轨接触几何和轮轨接触力的迭代算法.在分析车—桥系统的几何耦合关系和力学耦合关系的基础上,建立了风—车—桥系统运动方程,通过分离平衡迭代方法进行求解,并考虑非线性因素的影响.基于该文的分析理论及多年的科研积累,采用Visual C++的Windows编程技术,编制了桥梁结构科研分析软件BANSYS(Bridge ANalysis SYStem).最后,以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,比较了桥梁时域抖振分析和频域抖振分析的一致性,分析了桥塔风效应和非线性因素对结构抖振响应的影响.针对风—车—桥系统振动特点,提出了一种更能反映桥梁实际振动特性的评价指标表达式.采用BANSYS软件对风—车—桥系统的振动特性以及风场模型、风速、车速、车辆位置及非线性等因素的影响进行了多工况的对比分析.时域抖振分析结果表明:大跨度斜拉桥抖振的时域和频域分析方法具有较好的一致性;考虑桥塔风效应会显著增大桥塔的横桥向抖振响应;非线性因素会降低斜拉桥的自振频率,会增大斜拉桥的竖向及扭转抖振响应.风—车—桥系统耦合振动分析结果表明:考虑风的作用会显著增加车辆和桥梁的响应;车辆和桥梁的响应总体上随风速和车速的提高而变大;车辆位于桥道背风侧时较迎风侧时更为不利;非线性因素对桥梁的影响较车辆的要大.

目录

文摘

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第1章绪论

1.1.高速铁路

1.1.1.定义及发展历史

1.1.2.高速铁路特点

1.2.桥梁风致振动研究回顾

1.2.1.频域抖振分析

1.2.2.时域抖振分析

1.3.车—桥耦合振动研究回顾

1.3.1.古典理论

1.3.2.近现代理论

1.3.3.国内研究概况

1.4.风—车—桥系统研究回顾

1.5.本文的研究工作

1.5.1.选题的意义和必要性

1.5.2.本文主要研究内容

1.6.本章小结

第2章颤振导数识别

2.1概述

2.2数学模型

2.3加权整体最小二乘法(WELS)

2.4迭代过程收敛性

2.5节段模型风洞试验

2.5.1平板节段模型试验

2.5.2混凝土箱钢桁叠合梁节段模型试验

2.6本章小结

第3章三维脉动风场模拟

3.1概述

3.2风场简化

3.3谱解法

3.4大跨度斜拉桥风场模拟

3.4.1桥址区风特性

3.4.2桥塔风场模拟

3.4.3主梁风场模拟

3.5本章小结

第4章作用在桥梁及车辆上的风荷载

4.1概述

4.2定常气动力测试

4.2.1交叉滑槽系统

4.2.2模型风洞试验

4.2.3测试结果及分析

4.3作用在桥梁上的风荷载

4.3.1静风力

4.3.2抖振力

4.3.3自激力

4.4作用在车辆上的风荷载

4.5本章小结

第5章轮轨相互作用

5.1概述

5.2轨道不平顺

5.2.1轨道不平顺的分类

5.2.2轨道不平顺的描述

5.2.3轨道不平顺的数字模拟

5.3轮轨接触几何

5.3.1坐标系的定义及转换矩阵

5.3.2轮轨接触几何参数计算

5.4轮轨作用力

5.4.1轮轨接触椭圆

5.4.2蠕滑率

5.4.3 Kalker蠕滑理论

5.5本章小结

第6章车辆动力分析模型

6.1概述

6.2车辆分析模型

6.2.1车辆悬挂系统

6.2.2车辆自由度选取

6.3车辆运动方程

6.3.1基本假定

6.3.2变量及含义

6.3.3车体运动方程

6.3.4转向架运动方程

6.3.5轮对运动方程

6.3.6轮轨力的求解

6.4本章小结

第7章桥梁结构动力分析模型

7.1概述

7.2桥梁结构的有限元离散

7.3单元矩阵

7.3.1空间梁单元

7.3.2空间杆单元

7.3.3带刚臂的空间杆单元

7.4结构自振特性

7.5动力响应的数值积分方法

7.5.1 Newmark-β积分算法

7.5.2时间步长选取

7.6结构非线性分析

7.6.1斜拉桥几何非线性因素

7.6.2非线性运动方程求解

7.7本章小结

第8章风—车—桥系统分析模型及程序设计

8.1概述

8.2风—桥系统运动方程

8.3风—车—桥系统运动方程

8.3.1车—桥几何耦合关系

8.3.2车—桥力学耦合关系

8.3.3系统运动方程求解

8.4桥梁结构科研分析软件BANSYS

8.4.1软件特点

8.4.2软件结构及功能

8.4.3算例验证

8.5本章小结

第9章风—桥系统时域抖振分析

9.1概述

9.2京沪高速铁路南京长江大桥概况

9.3结构自振特性

9.4时域与频域抖振分析比较

9.5考虑桥塔风效应的时域抖振分析

9.6非线性时域抖振分析

9.7本章小结

第10章风—车—桥系统耦合振动分析

10.1概述

10.2车辆及桥梁的评判标准

10.2.1车辆的评判标准

10.2.2桥梁的评判标准

10.3风—车—桥系统耦合振动分析

10.3.1风场模型比较

10.3.2风速变化的影响

10.3.3列车运行速度的影响

10.3.4车辆位置的影响

10.3.5非线性因素的影响

10.4本章小结

结论

1.理论及方法上的进步之处

2.主要研究结论

3.有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间从事的科研项目