强风作用下轻轨车-汽车-公轨两用桥时变系统的动力响应机理及行车安全性舒适性研究

随着轨道交通发展和公路客货流量迅速增大，大跨公轨两用桥建设取得飞速发展。本项目研究强风、轻轨车、汽车、长大桥梁空间耦合振动机理，提出强风作用下轻轨车-汽车-公轨两用桥时变系统空间动力响应的仿真分析理论，可考虑强风水平和垂直空间分布特性及非平稳时间特性、桥梁几何非线性、轨道竖向不平顺、横向不平顺、路面不平顺、车流分布等多种因素的影响，发展和完善相应的综合分析软件。可计算在不同风速下轻轨车、汽车同时通过大跨度桥梁时的车桥系统全过程动力响应。并结合现场测试，来修正完善理论分析模型。深入研究强风作用下车桥耦合振动响应规律，并对桥上轻轨车、汽车运行安全性及舒适性进行评估，探讨公轨荷载的相互影响，提出多风期间确保大跨度公轨两用桥安全运营的控制标准和大跨度公轨两用桥合理的设计参数、技术标准。本研究对大跨度公轨两用桥的抗风、减振设计及确保桥梁的运营安全及延长桥梁使用寿命均具有重要理论意义和工程实用价值。

本项目研究强风、轻轨车、汽车、长大桥梁空间耦合振动机理，提出了强风作用下轻轨车-汽车-公轨两用桥时变系统空间动力响应的仿真分析方法，可考虑强风水平和垂直空间分布特性及非平稳时间特性、桥梁几何非线性、轨道竖向不平顺、横向不平顺、路面不平顺、车流分布等多种因素的影响。开展了列车-桥梁－风障模型气动性能风洞试验研究，分别测试了主梁，一组列车(头车、中车、尾车)的空气动力系数，并与CFD数值结果进行了对比分析，讨论了风偏角、来流风速、列车在桥上横向位置、列车编组位置、风障设置等对列车气动性能的影响。编制了“风-列车-汽车-桥梁”大型耦合计算程序，可以模拟常见类型的桥梁、汽车和列车，开展桥梁风致振动、桥梁动力特性、风-列车-桥梁耦合振动、风-汽车-桥梁耦合振动、风-汽车-列车-桥梁耦合振动等计算。通过“残差监视”保证方程求解的精度，通过“车辆预警”实时监视车辆的运行状态。首先开展了风-高速列车-简支箱梁耦合振动分析，研究了列车车速、自然风速、轨道不平顺、车辆气动特性、桥梁气动特性（包括风障）分别对风-车-桥耦合系统的影响。提出多风期间，确保高速列车通过桥梁时安全性、舒适性的控制标准，研究了风障高度、透风率等对列车运行安全性和舒适性的影响。以重庆朝天门大桥为工程背景，开展了风-汽车-列车-公铁两用桥耦合振动分析，得到了不同工况下汽车、列车、公铁两用桥的最大空间振动响应，并分别探讨了风、汽车和列车对桥梁动力响应的影响；风、汽车对列车振动响应的影响；风、列车对汽车振动响应的影响。并对公轨两用桥的动力性能及强风作用下桥上列车、汽车运行安全性、舒适性进行了评估。这对大跨度公轨两用桥的抗风设计及确保桥梁的运营安全及延长桥梁使用寿命具有重要理论意义和工程实用价值。