大跨径桥梁车辆荷载的随机车流多尺度模拟理论

Vehicle load effects of long span bridges are complex. They have complex influence surface, large loading range and various types. These characteristics are significantly different from short and medium span bridges and are beyond the theory foundation of current design codes. Mono-scale random traffic simulation mothod is front edge technology for bridge vehicle load research. But it is difficult to balance the efficiency and accuracy when it used for long span bridges, and massive computing work also need to be considered. Therefore, in this research multi-scale simulation theory of random traffic is explored to solve this problem. Firstly, random characteristics and equivalent methods of vehicle and traffic flow are studied based on statistical analysis of actual traffic data,then multi-scale random traffic simulation model is established. The new model is expected to consist of smooth traffic region, micro-to-macro transition region and microscopic behavior simulated region. Based on the multi-scale model, the scientific relationship of vehicle behavior and its load effect can be revealed, which improve both the efficiency and accuracy of traffic simulation. Secondly, Peaks Over Threshold method based on the Generalized Pareto distribution is introduced to extrapolate the extreme load responses, which can be applied when the responses follow different distributions. Finally, influence surface characteristics of long span bridges are analyzed, and application methods of multi-scale random traffic are studied. By this way the breakthrough of solving massive computing problem can be expected. It also helps to find a scientific expression of traffic loading model under performance based design concepts. All the research achievements can provide new basic theory for traffic load model, structure design and maintenance optimization for long span bridges.

大跨径桥梁车辆效应影响面分布复杂、加载区域大、类型多。这与与中小桥显著不同，目前的规范难以覆盖其特点；应用现有的单一尺度随机车流模拟技术无法兼顾效率和模拟精度，并且将面临海量计算。为此，本课题探索建立随机车流多尺度模拟理论，解决大跨径桥梁车辆荷载模拟及响应分析中的基础科学问题。首先，研究车辆、车列的随机特性及等效方法， 建立由平稳车流区、跨尺度握手区和车辆微观行为模拟区组成的随机车流多尺度模型，揭示大跨径桥梁中车辆行驶与其荷载作用之间的科学规律，改善车流模拟的精度和效率。其次，研究基于广义帕累托分布区间阈值法，解决多尺度随机车流作用下，响应不满足同分布条件时的极值外推难题。最后，基于对大跨径桥梁车辆影响面特性的分析，研究多尺度随机车流的应用方法，突破效应分析海量计算的瓶颈，探索性能设计条件下加载模式的科学表达。研究成果将为大跨径桥梁车辆荷载模型建立、结构设计、管养优化提供新的基础理论。

大跨径桥梁与中小跨径的桥梁相比，具有影响面分布复杂、加载区域大、类型多等特点，这在目前的规范中难以有效覆盖。此外，基于现有单一尺度随机车流模拟技术无法实现效率和精度的权衡。.研究融合多座大跨径桥梁不同区域、不同交通运营状况和不同车道数量的公路动态称重（WIM）数据，从宏观和微观尺度对车流及荷载特性进行了细致分析，探索车流整体的流量-密度-速度耦合演化关系，建立车流密度与荷载和桥梁响应的直接关系；基于宏观尺度的交通特性，考察不同车轮加载方式（车轮、车轴、车重和等效均布车重）下桥梁荷载响应的差别，提出基于随机模糊处理的宏观车流加载方法；研究将道路与车辆融入元胞自动机体系中，将车辆减速机制、安全跟驰和换道超车等微观驾驶模型考虑进来，形成以局部车辆交通作用规则更新整体交通流演化的高效方法；最后建立多尺度随机车流模拟方法，能够基于给定桥梁效应影响线，模拟产生多尺度随机车流及荷载效应时程。.研究比较了基于区组最大值的广义极值外推和基于超阈值的广义帕累托外推方法，分析两种方法的适用条件，参数估计方法和准确性评估，确定了方法选择标准；建立了混合加载事件的预测模型，用于评估极端荷载响应，并比较混合事件的混合极值预测和组合极值预测差异性；通过数值算例、中小跨径桥梁荷载效应、大跨径桥梁荷载效应等样本，划分了加载事件类型，对广义极值分布预测模型和广义帕累托分布预测模型进行了校核，说明这些方法对长周期荷载效应极值具有很高的预测精度（误差在5%以内），而采用传统极值预测方法则会产生显著误差。.研究选取大跨径桥梁结构的典型影响线，基于影响线的分布特征（影响值、影响面积、峰值数、峰度系数、偏度系数等）提出对结构效应的科学分类方法，并提出相关分类指标；创新地以影响线特性为基础，研究影响线对于确定随机车流建模的重要性。.创新地以车道荷载效应极端相遇事件为基础，建立了多车道桥梁车辆荷载模型，该模型能够适用于任意桥梁跨径长度和影响线型式，全面改进了目前各国规范的多车道模型的理论基础。.研究成果实现了建立大跨径桥梁车辆荷载的随机车流多尺度模拟理论的总体目标，为此类结构的设计、管养评估等提供了关键的基础模型和科学方法。