一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统，属于交通和桥梁工程技术领域，所述方法包括如下步骤：获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风

【技术实现步骤摘要】
一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统


[0001]本专利技术属于交通和桥梁工程
，尤其涉及一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统。

技术介绍

[0002]随着经济全球化和区域一体化的持续推进，亟待建设高效的一体化交通网络，以缩短不同国家或区域之间的时空距离；作为高速铁路、公路和跨海通道等大型交通网络的关键节点，大跨度桥梁以其出色的跨越性能和优美的造型在世界各地被广泛建造并使用；然而，随着桥梁跨越能力不断提升，桥梁愈发轻柔，其对风的作用也愈发敏感；在各种桥梁风致振动现象中，涡激振动是常遇风速下大跨度桥梁容易发生的一种振动形式；虽然涡振的破坏性不如颤振，但频繁发生的振幅较大的涡振可能会导致桥梁构件的疲劳损伤累积，影响桥梁的正常使用，甚至会引起桥上车辆驾驶员或行人的不适；一些世界知名大桥均发生过大幅涡激振动现象；已有调查发现，尽管车辆通过桥梁的时间一般仅持续几分钟，涡振情况下行驶在上述桥梁上的一些驾驶员和乘客经历了不同程度的短期身体不适。
[0003]现有技术中，主要针对常遇风速下刚性道路上驾驶员的乘坐舒适性开展研究，缺少针对横风作用下大跨度桥梁上行车舒适性的研究，因为这涉及到一个复杂的风—车—桥耦合振动问题；同时，已有的基于风—车—桥耦合振动框架下的驾驶员舒适性研究仅考虑正常风况下的驾驶员舒适性，缺少针对桥梁涡振情况下的驾驶员舒适性的研究；此外，对大跨桥梁而言，桥上可同时通行多辆车，产生动态变化的车流，车流通过大跨桥梁时的舒适性评价问题变得更为复杂。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种桥梁涡振下车流过桥舒适性评价方法及系统，解决了桥梁涡振情况下车流过桥时难以评价驾驶员舒适度的问题。
[0005]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本专利技术提供一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，包括如下步骤：
[0007]S1、获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
[0008]S2、基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风
‑
车流
‑
桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
[0009]S3、基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
[0010]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，结合实测数据和涡激力理论模型，合理模拟桥梁在涡振下受到的涡激力；本方法使用元胞自动机车流模型较真实地模拟桥上车流运行情况，在此基础上建立考虑桥梁涡振的风—车流—桥耦合系统，并基于分离迭代法求解系统动力响应；本方法采用ISO 2631标准推荐的舒适性评价方法，根据求得的车辆动力响应计算驾驶员加权加速度均方根值，通过驾驶
员的总加权加速度方根衡量驾驶员受振程度并评价其舒适性；本申请充分考虑了风、车流、桥之间的相互作用，并合理体现了桥上车流的实际运行情况，有助于准确分析桥梁涡振下风—车流—桥耦合系统动力响应，进而评估车流过桥舒适性。
[0011]进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：
[0012]S11、沿桥梁跨径均匀设置加速度和位移传感器，并在桥梁发生涡激振动时实测桥梁位移和加速度数据；
[0013]S12、根据实测桥梁位移和加速度数据，得到桥梁的振动频率和振幅；
[0014]S13、根据桥梁几何、材料和边界特征，建立桥梁有限元模型，并组集桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，以及分析得到桥梁的自振模态；
[0015]S14、根据桥梁的振动频率、振幅和自振模态，选取涡激力理论模型；
[0016]S15、根据桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵建立桥梁运动方程；
[0017]S16、施加涡激力理论模型对应的单位涡激力至桥梁运动方程，得到桥梁运动方程在单位涡激力作用下的振幅；
[0018]S17、根据桥梁的振幅和桥梁在单位涡激力作用下的振幅，得到涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，其中，涡激力时程包括若干个分析步。
[0019]采用上述进一步方案的有益效果为：实测数据和涡激力理论模型，合理模拟桥梁在涡振下受到的涡激力，并将涡激力时程划分为若干个分析步，可对各分析步中驾驶员在桥梁涡振情况下车流过桥的舒适度分析和评价。。
[0020]进一步地，所述步骤S14中所述涡激力理论模型的涡激力F
VI
的表达式如下：
[0021][0022]其中，ρ表示空气密度；U表示来流速度；D表示桥梁主梁横风向尺寸；C
L
表示主梁升力系数均方根；ω表示振动圆频率；θ表示主梁位移响应与涡激力的相位差，t表示时间。
[0023]采用上述进一步方案的有益效果为：提供涡激力，实现对桥梁涡激振动的有效振动模拟。
[0024]进一步地，
[0025]进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：
[0026]S21、获取实测的桥梁车流运行数据，并得到车流模拟参数；
[0027]S22、获取实测的桥梁车流中车辆的几何和力学特征，并组集车辆的质量、刚度和阻尼矩阵；
[0028]S23、根据车流模拟参数，并基于元胞自动机车流模型，得到随机车流运行数据；
[0029]S24、获取实测的桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，模拟桥梁所处桥位的脉动风场；
[0030]S25、利用路面粗糙度功率谱密度函数，通过傅里叶逆变换计算得到桥梁的路面粗糙度；
[0031]S26、基于所述涡激力理论模型参数，得到桥梁涡激振动下受到的涡激力；
[0032]S27、根据随机车流运行数据、桥梁所处桥位的脉动风场、桥梁的路面粗糙度和桥梁涡激振动下受到的涡激力，建立风
‑
车流
‑
桥耦合系统；
[0033]S28、通过分离迭代法将风
‑
车流
‑
桥耦合系统分为车辆子系统和桥梁子系统；
[0034]S29、基于桥梁受到的涡激力时程，分别对车辆子系统和桥梁子系统进行动力分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，其中，车辆动力响应包括车辆子系统的位移、速度和加速度，桥梁动力响应包括桥梁子系统的位移、速度和加速度。
[0035]采用上述进一步方案的有益效果为：建立风—车流—桥耦合系统，并基于分离迭代法求解系统动力响应，充分考虑桥梁涡振情况下车流过桥的情况。
[0036]进一步地，所述步骤S23包括如下步骤：
[0037]S231、建立具有周期边界的引道—桥梁—引道系统；
[0038]S232、根据引道—桥梁—引道系统和车辆模拟参数，生成随机分布的初始车流；
[0039]S233、基于初始车流和元胞自动机车流模型，得到各车辆在各分析步的运动状态；
[0040]S234、基于运动状态，得到随机车流运行数据。
[0041]采用上述进一步方案的有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；S2、基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风
‑
车流
‑
桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；S3、基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。2.根据权利要求1所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：S11、沿桥梁跨径均匀设置加速度和位移传感器，并在桥梁发生涡激振动时实测桥梁位移和加速度数据；S12、根据实测桥梁位移和加速度数据，得到桥梁的振动频率和振幅；S13、根据桥梁几何、材料和边界特征，建立桥梁有限元模型，并组集桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，以及分析得到桥梁的自振模态；S14、根据桥梁的振动频率、振幅和自振模态，选取涡激力理论模型；S15、根据桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵建立桥梁运动方程；S16、施加涡激力理论模型对应的单位涡激力至桥梁运动方程，得到桥梁运动方程在单位涡激力作用下的振幅；S17、根据桥梁的振幅和桥梁在单位涡激力作用下的振幅，得到涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，其中，涡激力时程包括若干个分析步。3.根据权利要求2所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S14中所述涡激力理论模型的涡激力F
VI
的表达式如下：其中，ρ表示空气密度；U表示来流速度；D表示桥梁主梁横风向尺寸；C
L
表示主梁升力系数均方根；ω表示振动圆频率；θ表示主梁位移响应与涡激力的相位差，t表示时间。4.根据权利要求1所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：S21、获取实测的桥梁车流运行数据，并得到车流模拟参数；S22、获取实测的桥梁车流中车辆的几何和力学特征，并组集车辆的质量、刚度和阻尼矩阵；S23、根据车流模拟参数，并基于元胞自动机车流模型，得到随机车流运行数据；S24、获取实测的桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，模拟桥梁所处桥位的脉动风场；S25、利用路面粗糙度功率谱密度函数，通过傅里叶逆变换计算得到桥梁的路面粗糙度；S26、基于所述涡激力理论模型参数，得到桥梁涡激振动下受到的涡激力；S27、根据随机车流运行数据、桥梁所处桥位的脉动风场、桥梁的路面粗糙度和桥梁涡激振动下受到的涡激力，建立风
‑
车流
‑
桥耦合系统；
S28、通过分离迭代法将风
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车流
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桥耦合系统分为车辆子系统和桥梁子系统；S29、基于桥梁受到的涡激力时程，分别对车辆子系统和桥梁子系统进行动力分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，其中，车辆动力响应包括车辆子系统的位移、速度和加速度，桥梁动力响应包括桥梁子系统的位移、速度和加速度。5.根据权利要求4所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S23包括如下步骤：S231、建立具有周期边界的引道—桥梁—引道系统；S232、根据引道—桥梁—引道系统和车辆模拟参数，生成随机分布的初始车流；S233、基于初始车流和元胞自动机车流模型，得到各车辆在各分析步的运动状态；S234、基于运动状态，得到随机车流运行数据。6.根据权利要求4所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S24包括如下步骤：S241、将实测桥梁所处桥位的风场中的自然风分为平均风和三个方向的脉动风；S242、基于平均风，将三个方向的脉动风等效为稳态的高斯随机过程；S243、根据桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，基于稳态的高斯随机过程，利用谱解法模拟桥梁所处桥位的脉动风场。7.根据权利要求4所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S29包括如下步骤：S291、根据随机车流运行数据，得到当前分析步中车辆在桥梁上的...

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