融合交通监测和Agent-CA模型的风、随机车流、大跨桥梁耦合系统仿真及荷载效应评估

Long-span bridges generally serve as the significant hub in infrastructure system for normal transportation and critical evacuation paths when any disaster happens. Thus, the safety of long-span bridges is related to huge economic cost and safety of thousands of lives. Most existent research on wind-traffic-bridge coupling system does not take full advantage of the traffic load data from highway traffic monitoring system which affected the evaluation of the dynamic response of the bridge. In this study, the monitored traffic data is merged into Agent-CA model, which can reproduce realistic traffic scenarios and provide detailed information of the whole process when vehicles passes the bridge. Additionally, a full vehicle mechanical model database is established to cover all the representative vehicle types on the highway. Then, a fine wind-traffic-bridge system simulation is developed. Several representative wind-traffic load cases are analyzed to observe the features of bridge’s dynamic response and recognize the critical load cases, assisting the safety evaluation of the bridge under normal, incident and extreme conditions. The main contribution of the proposal is to develop a stochastic traffic model integrating the monitoring traffic data and numerical simulation, making the wind-traffic-bridge coupling system be more practical. The results of the research can provide a reliable tool for the safety evaluation of long-span bridges.

大跨桥梁是交通系统中的咽喉要道，其安全性对国计民生有着重要的意义。风和随机车流的联合作用是导致大跨桥梁构件振动、损伤及破坏的主要因素。目前风-车-桥系统的研究对于交通荷载监测数据的利用不够充分，对大跨桥梁动力响应评估的准确性产生不利影响。本课题首先融合交通监测信息和Agent-CA数值模型，建立能够再现实际交通场景，对车辆过桥全部过程进行模拟的随机车流模型；对高速公路常见车型建立动力模型库，从而进一步完善风-车-桥系统的车辆荷载模块；在此基础上对风-车-桥耦合系统建立动态仿真模型，对桥梁在役期间的代表性风车荷载工况进行计算，识别最不利荷载工况，对桥梁在正常、特殊和极端荷载条件下的动力响应进行评估。本项目的主要特色在于开发实测-数值模拟一体化的随机车流模型，使风-车-桥耦合系统的动态仿真与桥梁实际承载状态更接近，并在此基础上对风车荷载效应进行分析，为大跨桥梁的安全性评估提供可靠的理论依据。

大跨桥梁是交通系统中的咽喉要道，其安全性对国计民生有着重要的意义。大跨桥梁在长期的运营过程中发现了诸多问题，主要问题之一是大跨桥梁的动力响应引发的桥梁使用性、安全性和耐久性问题，大量研究表明风和随机交通流使在役桥梁产生的振动是导致桥梁构件发生损伤和破坏的主要因素。目前风-车-桥系统的研究对于交通荷载监测数据的利用不够充分，对大跨桥梁动力响应评估的准确性产生不利影响。本研究首先融合交通监测信息和Agent-CA数值模型，考虑不同车型的驾驶行为特点，扩展了多车道的模拟场景，建立能够再现大跨桥梁实际交通场景，能够融合实测车流统计数据，对车辆过桥整个动态过程进行模拟的随机车流模型CA-Pro模型。与常规CA模型比较，CA-Pro模型的结果能够更加合理的再现车流的拥堵，以及更加准确的评估桥梁横向的车辆荷载分布；在改进的车流模块的基础上，对风-车-桥耦合系统建立动态仿真模型，对桥梁在役期间的代表性风车荷载工况进行计算，识别最不利荷载工况，对桥梁在正常和特殊荷载条件下的动力响应进行评估；在风车桥耦合模型计算数据进行分析的基础上，提出考虑风车荷载的动力指标DLR，结果发现DLR均值随着交通流密度的增加而减少，整体的趋势大致是随风速增加而增加，当风速高于15m/s，增长变缓。当风速较低时，对于各种交通状态，DLR的均值约为2%-6%。当风速增至25m/s时，DLR均值增至4-14%。同时，研究近似的将DLR与目前规范中的车辆动力系数进行了对比，为大跨桥梁的安全设计和运营维护提供可靠的理论依据。