基于可靠度的高墩大跨连续刚构桥的行车舒适性研究 -桥梁与隧道工程

I摘 要车辆过桥时，车辆荷载会使桥梁产生振动，桥梁的振动又会反过来影响车辆而使其产生振动效应，这种车与桥之间的耦合作用就是车桥系统的耦合振动，相比静止的荷载而言，移动车辆荷载会对桥梁产生更大的动力响应。连续刚构桥以其构造上的优点以及良好的技术经济性，使得刚构桥这一桥型在我国被大量建造，现今的连续刚构桥正在向高桥墩、大跨度以及轻型化的方向发展，公路梁桥的广泛应用以及重载车辆的大量涌现，车辆运行速度不断提高，这些因素共同加剧了车桥耦合系统振动的动力响应，对高墩大跨连续刚构桥的使用安全性产生了威胁，同时也会对行车舒适性产生不利影响，本文利用编制的车桥耦合分析程序研究了车桥耦合系统的振动响应和车辆过桥的行车舒适性，主要研究内容如下：（1）分析了车桥耦合古典模型和现代车辆模型，并介绍了 3 种现代车辆模型的运动微分方程，最后选用两轴 7 自由度的空间整车模型作为本文研究的车辆模型。（2）利用车桥耦合分析程序对该高墩大跨连续刚构桥的振动响应与冲击系数进行了研究，得出了一些桥梁振动响应和冲击系数随不同车辆、桥梁参数变化的规律，车速、路面等级、车重和桥梁阻尼比等都是影响该桥振动响应的重要因素。（3）引入 IS02631 评价标准，对该桥的行车舒适性进行评价，并分析了影响行车舒适性的原因，研究表明，车速、路面等级和车重对行车舒适性有很大影响；最后，基于统计的随机车流数据对行车舒适性进行了可靠性评价。本文的研究内容为国家自然科学基金“随机车流作用下高墩大跨桥梁的振动特性及行车舒适性研究”(基金号：51108045);“ 风环境下车辆在公路及桥梁上安全行驶的可靠度评估、对策与管理系统”(基金号：51178066); 湖南省交通科技项目( 编号： 201130) 的部分内容。关键词：高墩大跨连续刚构桥；车桥耦合；行车舒适性；冲击系数；可靠度IIABSTRACTThe vibration of bridges can be induced by the moving vehicles, and the vibration of the bridge can also cause some influences on the vehicles, and thus, this phenomena can be called Vehicle-Bridge coupling vibration. Compared with static loads, the moving loads can cause bigger dynamics response. Based on its structural advantages as well as its technology and economic affordable, this bridge type is widely applied in domestic. The latest developing trend of continuous rigid frame bridge is high Pier, large span, and weight reduction. With the rapid growth of highway traffic services, there are more heavy vehicles than before, and the speed of vehicles are greatly improved, those factors exacerbated the dynamic response of vehicle-bridge coupling system, and threatening the high pier large span continuous rigid frame bridges security, meanwhile, it will cause bad influence on driving comfort. This essay mainly study in vehicle-bridge coupling systems vibration response and driving comfort level by using the vehicle-bridge coupling analysis program, the results are shown as follow:(1) Analyzed classical and the modern vehicle models of vehicle-bridge coupling, introducing 3 modern vehicle models differential equations of motion, then choose the model that with 2 axis and 7 freedom degrees as the study object.(2) Studied the high pier large Span continuous rigid frame bridges vibration response and impact factor, some regularity are obtained from the study. The result shows that speed and weight of vehicles, rank of the road, damping ratio of the bridge are the main factor that affects the vibration response of the bridge.(3) Introduced the ISO2631 evaluation standard to evaluate the driving comfort level, then analysis the facts that influence the driving comfort level. The result shows that speed and weight of vehicles, rank of the road, damping ratio of the bridge are the main factor that affects the driving comfort level. At last, ranked the driving comfort level with reliability evaluation based on random traffic data.IIIThis dissertation is included in the following national natural science foundation:Research on high pier large span continuous rigid frame bridges vibration characteristics and driving comfort level under random traffic(Foundation NO:51108045);Evaluate,response and manage system of reliability of road and bridge driving security underwindy situation(Foundation NO:51178066)；Programs for Science and Technology Innovation, Department of Transportation of Hunan Province, China (Project No.201130)Keywords: span continuous rigid frame bridge; Vehicle-Bridge Coupling;driving comfort; impact factor; reliability目 录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 绪论1.1 立题意义 .11.2 车桥耦合振动的研究现状 .11.2.1 国外的研究现状 .21.2.2 国内的研究现状 .31.3 车桥耦合振动的分析方法 .51.4 结构可靠性理论 .51.4.1 结构可靠性理论的发展 .61.4.2 可靠度的常用计算方法 .61.5 行车舒适性的研究现状 .91.6 本文的主要研究内容 .10第二章 车桥耦合系统动力分析理论2.1 车桥耦合古典理论 .112.2 常见车辆模型运动方程的建立 .172.2.1 1/4 车辆模型运动方程的建立 .182.2.2 1/2 车辆模型运动方程的建立 .202.2.3 三维车辆模型运动方程的建立 .212.3 路面平稳随机激励模型 .242.3.1 路面频域模型 .242.3.2 路面时域模型 .252.4 桥梁运动方程 .262.5 车桥耦合系统运动方程的建立及求解 .262.5.1 耦合系统方程的建立 .262.5.2 耦合系统方程的求解 .272.6 本章小结 .27第三章 高墩大跨连续刚构桥的振动响应分析3.1 桥梁模型的建立 .283.2 车辆模型的建立 .293.3 路面不平度的模拟 .303.4 车辆过桥时桥梁的动力响应及冲击系数研究 .313.4.1 冲击系数理论 .313.4.2 车速对桥梁动力响应和冲击系数的影响 .323.4.3 车重对桥梁动力响应和冲击系数的影响 .363.4.4 路面等级对桥梁动力响应和冲击系数的影响 .373.4.5 桥梁阻尼比对动力响应和冲击系数的影响 .393.4.6 车辆悬挂刚度和阻尼对动力响应和冲击系数的影响 .413.5 本章小结 .43第四章 高墩大跨连续刚构桥的行车舒适性研究4.1 行车舒适性的评价标准 .454.2 高墩大跨连续刚构桥的行车舒适性分析 .484.2.1 车速对行车舒适性的影响 .494.2.2 路面等级对行车舒适性的影响 .514.2.3 车重对行车舒适性的影响 .534.3 基于可靠度的行车舒适性分析 .554.3.1 车辆随机参数的统计分析 .554.3.2 二次序列响应面法的应用 .574.3.3 行车舒适性功能函数的拟合及可靠度的求解 .584.4 本章小结 .62第五章 结论与展望1 结论 .632 展望 .64参考文献 .66致 谢 .71第一章 绪论1第一章 绪论1.1 立题意义车辆过桥时，车辆荷载会使桥梁产生振动，桥梁的振动又会反过来影响车辆而使其产生振动效应，这种车与桥之间的耦合作用就是车桥系统的耦合振动，相比静止的荷载而言，移动车辆荷载会对桥梁产生更大的动力响应 1。早在 100多年前的英国就发生过因火车过桥引起耦合振动而使铁路桥坍塌的事故，这使得各国学者和广大的工程师们对车桥耦合这一问题引起了重视并开始研究其机理。连续刚构桥以其构造上的优点以及良好的技术经济性，使得刚构桥这一桥型在我国被大量建造，随着新型高强度材料的应用，现今的连续刚构桥正在向高桥墩、大跨度以及轻型化的方向发展，对于这种高墩大跨连续刚构桥，其车桥耦合振动的效果将会更加明显。另外，桥梁作为一种公共交通设施，不仅要满足车辆荷载作用下的安全性要求，还必须满足车辆通过时的行车舒适性要求，目前关于车桥耦合振动的研究主要集中在桥梁的冲击响应及桥梁的安全性方面，而研究行车舒适性的文献相对较少。随着公路交通事业的快速发展，公路梁桥的广泛应用以及重载车辆的大量涌现，车辆运行速度不断提高，这些因素共同加剧了车桥耦合系统振动的动力响应，对高墩大跨刚构桥的使用安全性产生了威胁，同时也会对行车舒适性产生不利影响。由此可见，开展高墩大跨连续刚构桥的车桥耦合振动及行车舒适性研究，具有重要的现实意义。1.2 车桥耦合振动的研究现状自从第一条铁路在英国诞生，人们就开始关注车桥耦合振动这个古老且复杂的问题，对这个问题的研究也一直持续到现在，而由于车桥作用受到许多不定因素的影响 2,3，如桥梁结构形式、刚度、质量及阻尼，车辆的动力特性等，硕士学位论文2使得对车桥耦合振动系统的研究变得十分困难。早期的研究由于受制于车桥耦合振动理论和电子计算机的水平，工程师们只能对实桥进行针对性的试验，以获取相关的动力响应，而这种试验只能找出各种因素对耦合振动的影响大小，不能形成完整的车桥耦合振动分析理论。随着有限元理论的发展和电子计算机水平的进步，车桥耦合振动理论于上个世纪60-70 年代得到了飞速发展，利用这些新技术和理论，人们可以建立比较完善的车辆和桥梁模型，模拟更加真实的路面激励，并利用计算机进行数值计算。在车桥耦合振动研究领域，美国，日本和欧洲等国走在了世界的前列，他们对车桥耦合振动的研究作出了重要贡献，并取得了不少成就 4,5。1.2.1 国外的研究现状车桥耦合振动的研究最先来源于铁路桥的车桥耦合作用，自从世界上第一条铁路于 1825 年诞生于英国，工程师们就开始了车桥耦合振动的研究，在 19世纪 40 年代，随着一些铁路桥梁在运行中相继发生坍塌 59，人们对车桥耦合作用的研究也更加深入。1844 年，工程师们对英国的 Britannnia 桥进行了实桥试验 6,7，正式开始了对铁路桥梁在移动车辆荷载作用下耦合振动的研究。1849年，R.Willis 8,9通过理论推导和实桥试验方面进行了车桥耦合振动研究，他发现，与同等大小的静力相比，桥梁在移动力的作用下会发生振动，并能产生更大的内力和挠度，而这种作用是不可忽视的 10。1905年，俄国人Krylov.A.N在忽略车辆质量的情况下对车辆匀速通过简支梁桥的振动进行了研究，并推导了相关的理论，这就是车桥耦合振动古典理论之一。他的这一理论首先要求桥梁的跨度较大，车辆的质量与之相比可以忽略，这一理论在当时车桥耦合振动理论不完善和计算手段不发达的条件下，直接避免了变系数微分方程的求解，极大的简化了车桥耦合的计算，为后人进一步的研究打下了基础。1911年，S.Timoshenko推导了匀速移动简谐力通过简支梁的车桥耦合振动理论，即匀速移动简谐力模型，这一理论与匀速移动力理论相比，虽然都没有考虑车辆的质量影响，但是前者把作用在桥上的力视作简谐力，与实际情况更第一章 绪论3吻合，对现代车桥耦合理论的形成有一定的影响。1937年，Schauenkamp首次提出考虑车辆质量的车桥耦合振动模型，经过理论推导得出了匀速移动质量通过简支梁桥时的动力响应，该方法得出的桥梁动力响应与前两种方法相比，其计算结果比较精确。1954年，Biggs 建立了更加完善的车辆模型，即匀速移动弹簧-质量模型，该模型由两部分组成，即车体和车轴，二者通过弹簧连接，这一模型的产生极大的推动了车桥耦合振动的研究，为现代车辆模型的出现奠定了基础。从上个世纪70年代至今，车桥耦合振动的理论得到快速发展与应用，随着有限元理论的出现以及计算机水平的发展，车辆模型和桥梁模型都越来越接近真实的情况，研究者们可以根据自己的研究方向选择合适的车辆与桥梁模型。耦合振动的研究方法、路面激励的模拟和数值解法等也得到了不断的发展和完善。1.2.2 国内的研究现状国内对于车桥耦合振动的研究起步较晚，最早开始于 1941 年，由李国豪开展的对铁路桥车桥耦合振动研究，之后又继续研究了车辆荷载作用下的拱桥振动特性。此后，国内的车桥耦合振动研究很少，直到上世纪末期才开始广泛的研究和应用。2000 年，王元丰和许士杰 11等人以简支梁和连续梁为例，利用数值分析法推导了车桥系统的振动微分方程；2001 年，刘菊玖和张海龙 12等人应用结构力学及随机过程的相关理论，研究了车辆、桥梁的动力特性和路面不平度对桥梁动力响应的影响；2002 年，胡振东及王华林 13 等人引入舒适度的评价理论，分析了桥梁振动的竖向加速度与舒适性的关系；2003 年，盛国刚、彭献及李传习 14以连续梁桥为研究对象，用平面梁模型来模拟，利用模态综合法，分别研究了随着跨径和车速的变化，连续梁桥挠度和弯矩冲击系数的变化规律；沈火明及肖新标 15等以 1/2 车辆模型作用在简支梁桥下，推导出了其耦合系统的运动方程；盛国刚及彭献 16采用了振型叠加方硕士学位论文4法，分析了在不同跨径和不同行车速度的影响下，桥梁挠度和弯矩冲击系数的变化规律；2004 年，严志刚、盛洪飞及陈彦江 17,18将车辆动力特性和路面不平度对桥梁振动的影响作用视作外荷载来考虑，该方法简化了耦合系统的求解过程，方便研究不同路面等级对耦合系统车辆振动特性的影响；肖新标及沈火明等 19应用达