风车流桥耦合振动分析方法及系统技术方案

本申请涉及一种风车流桥耦合振动分析方法。本申请中，为了真实反映待分析桥梁上车辆的运行行为，并合理模拟风车和车桥相互作用，根据待分析桥梁所在路段中的实际车流运行数据，使用元胞自动机车流模型生成车辆可变速和变道的随机车流，在此基础上构建风车流桥耦合系统，基于分离迭代法对构建的车辆运动方程和桥梁运动方程分别求解，直至车辆和桥梁的几何和力学关系满足预设的收敛条件，最终输出最后一次迭代得到的车辆和桥梁的动力响应。本申请合理考虑了风车流桥耦合系统中车辆的变速和变道现象，有助于准确分析风车流桥系统的耦合振动，从而为桥梁在风和车流联合作用下的运营安全评估以及风环境中车辆过桥的安全性和舒适性评估提供重要基础。

【技术实现步骤摘要】
风车流桥耦合振动分析方法及系统
本申请涉及交通和桥梁工程
，尤其涉及一种风车流桥耦合振动分析方法及系统。
技术介绍
随着国民经济发展，公路交通总量逐年递增，由车辆荷载引起的公路桥梁位移超限和构件疲劳等安全问题愈发显著。特别是随着单车载重能力的提高，重车过桥时可能引起显著的车桥耦合振动，对桥梁产生较大的动力冲击作用，这将进一步威胁公路桥梁的使用安全。同时，桥梁运营期间时常受到风荷载作用，对于结构较柔且通行车流量较大的大跨桥梁而言，风和车辆的联合作用可能导致桥梁结构振动、损伤乃至破坏。此外，桥梁结构振动也将影响车辆运行，特别是在风环境中，高速运行的车辆和桥梁之间可能产生复杂的耦合振动，甚至可能导致司乘人员不适、车辆侧翻等不利后果。现有技术中，主要使用蒙特卡洛车流模型构建风车流桥耦合系统，但是该类系统对于车辆运行行为的描述过于简单，与实际车辆运行行为有较大区别，同时现有风车流桥耦合系统建模和分析方法中均假定车辆匀速运动，但在实际情况中，车辆常常会进行变速行驶，车辆匀速运动假定将导致模拟得到的风车相互作用，车桥相互作用偏离实际情况。...

【技术保护点】
1.一种风车流桥耦合振动分析方法，其特征在于，包括：/n获取待分析桥梁所在路段中的实际车流运行数据，根据所述实际车流运行数据，得到车流运行模拟参数；/n获取所述待分析桥梁所在路段中通行车辆的几何特征和力学特征，根据所述车辆几何特征和力学特征，建立车辆模型，并组集所述车辆的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；/n获取所述待分析桥梁的几何特性、材料特性和边界特性，根据所述待分析桥梁的几何特性、材料特性和边界特性，建立所述待分析桥梁的三维梁单元有限元模型，并组集所述待分析桥梁的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；/n根据所述车流运行模拟参数，基于预先构建的元胞自动机车流模型，生成随机车流运行数据；/n根据所述待...

【技术特征摘要】
1.一种风车流桥耦合振动分析方法，其特征在于，包括：
获取待分析桥梁所在路段中的实际车流运行数据，根据所述实际车流运行数据，得到车流运行模拟参数；
获取所述待分析桥梁所在路段中通行车辆的几何特征和力学特征，根据所述车辆几何特征和力学特征，建立车辆模型，并组集所述车辆的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；
获取所述待分析桥梁的几何特性、材料特性和边界特性，根据所述待分析桥梁的几何特性、材料特性和边界特性，建立所述待分析桥梁的三维梁单元有限元模型，并组集所述待分析桥梁的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵；
根据所述车流运行模拟参数，基于预先构建的元胞自动机车流模型，生成随机车流运行数据；
根据所述待分析桥梁所在桥位处的实测风场功率谱或经验功率谱，通过谱解法生成所述待分析桥梁所在桥位处的脉动风场；
根据所述待分析桥梁的路面粗糙度功率谱密度函数，通过傅里叶逆变换生成所述待分析桥梁的路面粗糙度；
构建风车流桥耦合系统，确定所述风车流桥耦合系统的分析总时长和分析步长；
根据所述随机车流运行数据计算每一分析步中车辆的位置，根据所述车辆的位置和所述脉动风场计算每一分析步中车辆承受的风荷载，根据桥梁位移、速度数据和所述路面粗糙度计算每一分析步中车辆承受的车桥相互作用力，并计算每一分析步中车辆承受的由车辆惯性力导致的附加俯仰力矩；根据所述脉动风场计算每一分析步中所述待分析桥梁承受的风荷载，根据每辆车的车轮受力平衡条件计算每一分析步中所述待分析桥梁承受的车桥相互作用力，根据所述车辆惯性力计算每一分析步中所述待分析桥梁为平衡所述车辆惯性力承受的摩擦力；
根据所述车辆的质量矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵，承受的风荷载，承受的车桥相互作用力和承受的附加俯仰力矩，构建每一分析步中的车辆运动方程；根据所述待分析桥梁的质量矩阵，刚度矩阵，阻尼矩阵，承受的风荷载，承受的车桥相互作用力和承受的摩擦力，构建每一分析步中的桥梁运动方程；所述车辆运动方程用于根据输入的所述车辆承受的车桥相互作用力，风荷载和附加俯仰力矩求解所述车辆的位移、速度和加速度数据；所述桥梁运动方程用于根据输入的所述桥梁承受的车桥相互作用力，风荷载和摩擦力求解所述桥梁的位移、速度和加速度数据；
基于分离迭代法，对所述车辆运动方程和所述桥梁运动方程分别使用数值积分法求解，直至车辆与桥梁的几何和力学关系满足预设的收敛条件，输出最后一次迭代得到的车辆和桥梁的动力响应；所述车辆与桥梁的几何和力学关系通过所述车辆和桥梁承受的风荷载和车桥相互作用力表示；所述车辆的动力响应包括：所述车辆的位移、速度和加速度数据；所述桥梁的动力响应包括：所述桥梁的位移、速度和加速度数据。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车流运行模拟参数具体包括：车流密度，不同类型车辆在各车道中的车型分布比例，不同类型车辆的长度与轴距，不同类型车辆的最大速度、缓慢速度、正常加速度、正常制动速度及紧急制动速度，不同类型车辆的随机减速概率及换道概率。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述车辆的几何特征和力学特征，建立车辆模型，并组集所述车辆的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，具体包括：
根据所述车辆的几何特征和力学特征，建立车体、车轴和车轮相互之间通过阻尼器和弹性元件连接的模型模拟车辆，并根据所述车辆的几何尺寸，所述车体、车轴和车轮的质量，各阻尼器的阻尼和各弹性元件的刚度组集车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述待分析桥梁的几何特性、材料特性和边界特性，建立所述待分析桥梁的三维梁单元有限元模型，并组集所述待分析桥梁的质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，具体包括：
通过空间杆系有限元法建立所述待分析桥梁的三维有限元模型，具体包括：使用空间杆单元模拟所述待分析桥梁的柔性构件；使用空间梁单元模拟所述待分析桥梁的刚性构件；还使用质量单元模拟所述待分析桥梁的附加质量；
根据所述待分析桥梁的三维有限元模型中各单元在局部坐标系中的单元质量矩阵、单元刚度矩阵按照自由度编号规律组集获得所述待分析桥梁的质量矩阵和刚度矩阵，并基于瑞利阻尼假定获得所述待分析桥梁的阻尼矩阵。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述车流运行模拟参数，基于预先构建的元胞自动机车流模型，生成随机车流运行数据，具体包括：
构建周期性桥梁引道系统，模拟所述待分析桥梁所在路段中的车流...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱金，熊籽跞，吴梦雪，郑凯锋，李永乐，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51