风—汽车—桥梁系统耦合振动初步研究

论文摘要

山区进行公路建设要经常跨越河流、沟谷,致使高墩大跨桥梁的修建日益增多,由于山口的“狭管效应”和“放大效应”,即使平坦地区的风速很小,山口峡谷区的风速也很大,并且随着桥梁跨度的不断增加,桥梁的长细化使其刚度和阻尼不断下降,导致结构对风的敏感性不断增加,同时在强风作用下,车辆行驶于桥梁上的舒适性和安全性问题是一个非常值得研究的科学问题,所以风-汽车-桥梁空间耦合振动研究具有非常重要的理论和实用价值。本课题针对大跨度连续刚构桥夹溪大桥,研究其在侧向风荷载和移动车辆荷载作用下的风-汽车-桥梁系统耦合振动响应。本文主要研究内容如下：1、通过程序计算和结果比较,分别分析了匀速移动常量力、匀速移动简谐力、移动质量和移动簧上质量等作用下简支梁桥的车桥耦合振动现象和机理。2、运用谐波合成法模拟了桥址处脉动风场,利用流体软件fluent模拟了主梁若干特征截面的三分力系数,建立了13个自由度的两轴空间整车模型和车辆运动方程,模拟了路面粗糙度样本,编制了风-汽车系统相互作用分析程序,获取了侧风作用下行驶在路面上车辆的舒适性以及研究了路面等级、风速和车速对行车舒适性的影响。3、将车桥系统以车轮和桥面接触点为界,分成车辆和桥梁两个子系统,引入了车轮和桥面接触处的位移协调条件和车桥相互作用力的平衡关系,然后分别建立了车辆与桥梁的运动方程；采用分离迭代法编制了车桥系统空间耦合振动分析程序。4、建立了侧风作用下的车桥系统耦合振动分析模型,对比了桥梁不受侧风和受侧风情况下行驶与桥梁上的车辆的影响,研究了车速、风速和路面等级对车辆的影响,最后进行了侧风、车辆移动荷载对桥梁响应的影响研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 大跨度连续刚构桥的发展
• 1.3 车桥耦合振动研究
• 1.3.1 车桥耦合振动研究内容
• 1.3.2 车桥耦合系统振动原因
• 1.4 车桥耦合振动研究概况
• 1.5 桥梁抖振研究概况
• 1.5.1 抖振响应的时域分析方法
• 1.5.2 抖振响应的频域分析方法
• 1.6 风车桥耦合振动研究概况
• 1.7 本文研究工作
• 第2章 古典理论
• 2.1 引言
• 2.2 移动常量力
• 2.3 移动简谐力
• 2.4 移动集中质量
• 2.5 移动簧上质量
• 2.6 本章小结
• 第3章 三维空间脉动风场的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 改进的谐波合成法
• 3.3 夹溪大桥随机风场的模拟
• 3.3.1 脉动风速场的自然特性
• 3.3.2 平均风特性
• 3.4 连续刚构桥气动性能数值模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 桥梁结构动力分析的有限元方法
• 4.1 引言
• 4.2 有限元单元法求解结构振动的基本步骤
• 4.3 桥梁运动方程
• 4.3.1 单元质量矩阵
• 4.3.2 结构阻尼矩阵
• 4.3.3 单元刚度矩阵
• 4.3.4 自由振动的特征值
• 4.3.5 子空间迭代法
• 4.4 结构振动求解的直接积分法
• 4.4.1 中心差分法
• 4.4.2 Newmark-beta法
• 4.5 本章小结
• 第5章 车辆分析模型
• 5.1 引言
• 5.2 风汽车相互作用
• 5.3 路面粗糙度
• 5.4 车辆分析模型
• 5.4.1 各个参数和变量的含义
• 5.4.2 两轴车辆的运动方程
• 5.5 车辆舒适性分析
• 5.5.1 车速的影响
• 5.5.2 路面等级的影响
• 5.5.3 风速的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 汽车桥梁空间耦合振动研究
• 6.1 引言
• 6.2 汽车桥梁几何耦合关系
• 6.3 车辆桥梁系统运动方程的建立及求解
• 6.4 桥梁的动力响应
• 6.4.1 车辆数目的影响
• 6.4.2 车辆间距的影响
• 6.4.3 车辆相向行驶的影响
• 6.4.4 车速的影响
• 6.4.5 路面等级的影响
• 6.4.6 不同车型的影响
• 6.5 车辆的动力响应
• 6.5.1 速度的影响
• 6.5.2 路面等级的影响
• 6.7 本章小结
• 第7章 风汽车桥梁系统空间耦合振动研究
• 7.1 引言
• 7.2 风汽车桥梁系统方程的建立和求解
• 7.2.1 风汽车桥梁侧向耦合关系
• 7.2.2 风荷载对桥梁的作用
• 7.2.3 风汽车桥梁系统运动方程
• 7.3 风荷载作用下车辆的动力响应
• 7.3.1 考虑侧风和不考虑侧风时行驶于桥梁上的车辆动力响应
• 7.3.2 车速的影响
• 7.3.3 风速的影响
• 7.3.4 路面等级的影响
• 7.4 风荷载作用下桥梁的动力响应
• 7.5 本章小结
• 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间参与的项目