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原文传递车桥耦合分析中桥梁与车辆模型非线性的影响研究

论文题名：	车桥耦合分析中桥梁与车辆模型非线性的影响研究
关键词：	大跨度桥梁;车桥耦合分析;车辆模型;非线性特性
摘要：	大跨度桥梁上车辆运行的安全性和舒适性一直都是桥梁动力研究领域的热点。以往的车桥耦合分析一般采用线性车辆模型和桥梁模型，基于线性系统的逐步积分法开展动力学求解。实际上，车辆子系统和桥梁子系统均包含多种非线性因素，这些非线性会影响车桥耦合动力学响应。为正确评价车桥耦合分析中车辆与桥梁各种非线性因素对其动力响应的影响，本文开展了如下研究工作：　　（1）阐述了车桥耦合分析中车辆子系统和桥梁子系统存在的非线性问题；针对车辆非线性，建立了线性车辆、几何非线性车辆、悬挂非线性车辆三种车辆模型；针对桥梁非线性，建立了桥梁动力学分析模型、考虑几何非线性和大位移非线性的桥梁动力学分析模型；介绍了四阶Runge-Kutta法、Newmark-β法等时域积分法以及用于求解非线性问题的数值迭代法—Newton-Raphson迭代法。　　（2）基于MATLAB平台开发了车-桥耦合动力学分析程序VBIP，该程序具有静力分析、模态分析、瞬态分析等功能，具有车桥耦合线性振动求解和非线性振动求解两大模块。随后通过诸多算例验证了VBIP对车辆非线性、桥梁非线性分析求解的有效性。　　（3）基于VBIP开展了车辆非线性对车桥耦合分析的影响研究：借助线性车辆、几何非线性车辆、悬挂非线性车辆三种车辆模型，开展了路面不平度激励下车辆-简支梁桥耦合振动分析、跳车冲击力作用下车辆-简支梁桥耦合振动分析、跳车冲击力作用下车辆-斜拉桥耦合振动分析，对上述三个问题中桥梁动力响应、车辆动力响应、车辆运行的舒适性进行了分析。研究结果表明：车辆的非线性应被视为影响车桥耦合分析结果的重要因素，尤其是在车辆发生跳车现象时，其非线性特性对车桥耦合振动的影响将变得更加显著。在车辆-简支梁桥的耦合振动分析中，考虑车辆悬挂系统的非线性特性，导致桥梁跨中竖向最大位移增长了111.48%，车体垂向最大加速度最大增长了23.64%。这样的非线性效应明显降低了车辆的运行舒适性。　　（4）基于VBIP进行了桥梁非线性对车桥耦合分析影响的研究。该研究分析了不同车辆模型、车辆速度以及路面不平度激励条件下，桥梁非线性对车桥耦合振动分析的影响，并对车辆的舒适性指标进行了评估。结果表明：桥梁的非线性对桥梁跨中竖向最大位移的影响范围在-2%至 3%之间，对车辆舒适性的影响非常小。在考虑桥梁的非线性因素时，采用1/3倍频带加速度评价车辆舒适性，在各个工况下车体的垂向加速度均未超出舒适性降低界限。　　（5）总结了车辆非线性和桥梁非线性对桥梁动力响应的影响、对车辆动力响应的影响、对车辆运行舒适性的影响。并对本研究的局限性以及亟待解决的关键问题进行了总结。
作者：	王琳琳
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	王小松
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023