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原文传递风—汽车—桥梁系统耦合振动分析及程序设计

论文题名：	风—汽车—桥梁系统耦合振动分析及程序设计
关键词：	基础刚度;耦合振动;桥梁系统;程序设计;动力分析模型;桥梁结构
摘要：	风—汽车—桥梁系统是由自然风、公路车辆(汽车)和桥梁三者协调工作构成的统一力学作用体系。由于风与桥梁间的流固耦合作用、车辆与桥梁间的固体接触耦合作用和风对车辆的脉动作用，风—汽车—桥梁系统会产生时变的耦合振动。围绕风、汽车和桥梁的相互作用，采用一定的动力分析模型，以数值方法为手段，建立了风—汽车—桥梁系统耦合振动分析框架。　　首先，为在桥梁结构动力分析中实现基础刚度的有效模拟，针对当前常用的基础刚度模拟方法的局限性，提出一种基础刚度有限元模拟的正交三梁模型法，其原理是采用具有一个公共节点的三个正交的梁单元，通过联合求解确定三个梁单元各自的刚度特性，从而使三个正交单元公共节点处的刚度和承台中心的基础刚度等效。该正交三梁模型可准确模拟基础刚度矩阵的各主元素和交叉项，简单实用，便于结构有限元建模，具有推广价值。　　其次，将静风力及时域化的抖振力和自激力作为桥梁上的统一风荷载，实现了桥梁颤抖振统一时程分析。讨论了桥梁上风荷载的攻角非线性问题，在此基础上可以从时域角度全面分析和研究桥梁的颤抖振问题。　　再次，建立13个自由度的两轴汽车动力分析模型，推导了该车辆模型的振动微分方程。针对车辆侧倾事故和侧滑事故的评判准则，指出采用包含峰值因子的车轮与地面的作用力作为车辆事故评判依据更为合理，提高了风致车辆事故分析的可靠性，并提出了车辆折算接触力和侧滑抗力的概念，将其作为移动车辆安全性分析的评判指标。　　最后，将风、公路车辆、桥梁三者作为一个统一的相互作用系统，建立较为完善的风—汽车—桥梁耦合振动系统分析框架。基于面向对象编程思想，编制风—汽车—桥梁系统耦合振动分析程序WVBroad(Wind-Vehicle-Bridge for Roadway)。运用该程序，分别以某高墩大跨连续刚构桥和混合梁独塔斜拉桥为工程背景，进行车—桥系统垂向耦合振动和风—车—桥系统空间耦合振动分析。通过多工况、多因素对比分析，研究了桥梁动力冲击系数、侧风作用下的车桥耦合振动特性以及车辆行车安全性等问题。　　对连续刚构桥的车—桥系统垂向耦合振动分析结果表明：车辆对桥梁的动力作用主要表现为移动车轮的周期性冲击；桥梁和车辆的动力响应都随路面不平度增加而增大，由于桥梁刚度较大，车体的响应大小主要取决于路面不平度值；桥梁冲击系数主要取决于车辆的规律性移动和桥梁结构的自振特性。　　对独塔斜拉桥的风—车—桥系统空间耦合振动分析结果表明：静风通过对车辆的阻力作用使桥梁横向位移增大，当上桥车辆众多时，车辆上的静风力不容忽视；桥梁为近似流线型的箱形截面线状结构，升力在气动作用中表现最为重要，竖向抖振现象突出；车辆的气动外形十分钝化，阻力效应显著，横向抖振现象明显。　　根据建立的风致车辆事故模型，分析了路面不平度、车速以及路面干湿状况等因素对在桥梁上行驶的车辆的安全性的影响，并给出了车辆事故临界风速，提出了适用于交通安全管理的车辆限速标准。
作者：	赵凯
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李永乐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文