基于概率密度演化的大跨桥梁车桥系统随机振动响应与行车舒适性研究

With the increasing of the scale and span of the highway bridge, the vibration and ride comfort of the long span bridge has attracted much attention. Focusing on the ride comfort, the random vibration of the vehicle-bridge system is analyzed using the probability density evolution method and measured vibration data. The main contents include:(1)to develop the random traffic flow load model of the long span bridge based on the measured data. First the distribution of the vehicle load of the highway bridge is discussed according to acquired data recorded by the structural health monitoring system. The statistical parameters of the vehicles are elaborated based on the data measured. Then the cellular automata model (CA) is used to describe the random traffic flow load of the long-span bridge.(2)To analysis the random vibration of the vehicle bridge system. First, the vehicle-bridge coupled vibration system is updated by using the measured modal parameters. Then, random vibration response of the vehicle-bridge system has been researched by using the generalized probability density evolution method. Finally aiming at the ride comfort, the joint probability density function of the vehicle and the bridge is analyzed.(3)To study the influencing factors and the evaluation method of the ride comfort of the long span bridge. The research achievements in the subject can be used to establish ride comfort evaluation stand and to guide the design of the long span bride.

随着公路桥梁规模和跨度的不断增大，桥梁振动引起的行车舒适性问题越来越引起重视。本课题围绕大跨桥梁行车振动舒适性这个主题，以大跨桥梁车桥耦合振动系统为研究对象，基于概率密度演化方法并结合实测数据对车桥系统的随机振动响应进行分析，在此基础上研究行车振动舒适性的影响因素和评价方法。主要研究内容包括：（1）基于实测数据的随机车流荷载模型。利用结构健康监测实测数据获取车流荷载分布规律和统计参数，引入交通领域元胞自动机模型（CA）建立大跨桥梁随机车流荷载模型；（2）基于概率密度演化方法的大跨桥梁车-桥系统随机振动响应分析。建立基于模型修正的大跨桥梁车-桥耦合振动系统，利用广义概率密度演化方法求解车流荷载作用下的车桥系统随机振动响应，结合行车振动舒适性对系统振动响应演化规律进行分析；（3）行车振动舒适性的影响因素以及评价方法研究。研究成果将为大型公路桥梁的舒适性评价和设计提供重要依据。

20世纪以来，公路桥梁规模和跨度的不断增大，桥梁振动引起的行车舒适性问题越来越引起重视。本课题围绕大跨桥梁行车振动舒适性这个主题，以大跨桥梁车桥耦合振动系统为研究对象，基于概率密度演化方法并结合实测数据对车桥系统的随机振动响应进行分析，在此基础上研究行车振动舒适性的影响因素和评价方法。. 1）研究建立了基于元胞自动机模型（CA 模型）的大跨桥梁随机车流模型。以车辆行驶微观仿真模型为基础分别建立了单车道和多车道随机车流模型，编制了模拟程序。研究了车辆在桥梁上的行驶规律和不同交通服务水平下车流的运行特点；通过模拟得到了随机车流交通量、车速以及车间距的分布规律，拟合了车间距等随机变量的概率分布曲线。通过引入等效动态车辆荷载方法（EDWL），将随机车流转换为了随机车流荷载，解决了随机车流-桥梁系统相互作用计算的难题。. 2）基于概率密度演化方法进行了大跨桥梁结构随机振动响应分析。根据CA模型模拟结果确定了该桥随机车流荷载模型中车重、车间距和车速等随机变量的分布规律，由一系列离散的随机变量样本点生成了车流样本。然后，以润扬大桥悬索桥为研究对象，利用参数化建模方法建立了该悬索桥三维空间有限元模型并根据现场实测数据对模型进行修正和验证。将生成的车流样本输入上述结构模型计算得到各车流荷载下大跨悬索桥的位移振动响应，并将计算所得每个样本的位移信息累加代入广义概率密度演化方程，利用差分法进行求解获得桥梁结构响应的的概率密度曲面和等概率密度曲线。. 3）大跨桥梁行车振动现场测试与舒适性分析。选取了5座大跨桥梁开展了行车振动测试与舒适性分析，基于实测数据分析了车辆动力特性、桥面动力特性、桥面不平整度以及车速等对行车振动的影响。通过利用小波变换的时频域分析方法对行车内部振动的规律及其影响因素进行了研究。结果表明：行车内部竖向振动和车辆自身动力特性密切相关。桥面的不平整度是影响车辆竖向振动的主要影响因素。车内横向振动频带主要分布在0.1~0.5Hz左右，处于人体振动感觉敏感区域，横向振动很容易引起人体的不舒适。因此在今后的研究中，横向振动对人体舒适性的影响应该引起足够重视。