一种基于元胞自动机车流的公路桥三维耦合振动分析方法研究

The project adopts theoretical analysis, numerical simulation, test verification technique etc to study the 3D vehicle-bridge coupled system, focusing on the practical engineering application, as well as following the research direction of vehicle-bridge coupling vibration..Cellular automation (CA), a microscopic scale traffic flow simulation model, which is widely used in the transportation field, is introduced in the simulation of traffic flow. Three dimensional road surface profiles are simulated in space domain and act as an input to the bridge-vehicle model. The vehicle is modeled as a combination of several rigid bodies connected by a series of springs and damping devices and a three-dimensional dynamic model of the bridge can be obtained through finite element modeling. These two systems of motion equations for the vehicle and bridge are coupled through the contact conditions. Experimental tests are used for validating the coupled motion equations. A prototype bridge is studied with the proposed equations. Moreover, analysis and test reveal the influence of traffic flow on the vehicle-bridge coupled system and the differences among dynamic impact factors of acceleration, stress and displacement. A parameter study is carried out for the vehicle-bridge coupled system in time domain and frequency domain..The project initially proposes an analysis method, which can be applied for vehicle-bridge coupling vibration analysis, providing guiding significance for the road-bridge design. In addition, the proposed approach is important for reflecting the dynamic response of vehicle-bridge coupled system induced by traffic flow.

课题着眼于实际工程应用，紧跟车-桥耦合振动研究趋势，采用理论分析、数值模拟、试验验证等方法对三维车流-公路桥耦合系统进行研究。.通过引入微观交通流理论-元胞自动机模型，模拟公路桥梁上的车流分布状况，结合三维空间内路面不平度分布，提出一种车流-公路桥梁三维耦合振动分析方法，并通过一座实际装配式简支空心板梁桥的试验研究验证分析方法的正确性。然后，以混凝土连续箱梁桥为例，开展车流对桥梁-车流耦合系统动力学性能影响的规律研究，揭示车流对桥梁-车流耦合系统频率的影响规律，明确时域和频域内各种参数对车流-桥梁三维耦合系统的影响方式，阐明加速度、应力、位移等汽车荷载冲击系数变化规律的差异。.课题初步提出了一种直接对公路桥梁设计有指导意义的、可应用于公路桥梁分析的车流-公路桥耦合振动分析方法，具有重要的现实意义，对揭示实际车流作用下车-桥耦合系统动态响应变化规律有重要的理论价值。

与铁路桥梁的车-桥耦合振动相比，公路桥由于车辆荷载的随机性以及桥梁自身特点，使得其车-桥耦合振动与铁路桥的车-桥耦合振动有着显著的差异。课题针对公路桥的这种特点，本着可应用或指导实际工程的目的，就三维车流-公路桥耦合系统进行了深入研究。. 课题引入微观交通流理论-元胞自动机模型，模拟公路桥梁上的随机车流，给出了不同车流密度情况下的车辆运行状况；基于谐波叠加法, 以二维路面谱为基础, 从空间路面频率谱出发, 拓展到三维空间内的路面谱, 给出了三维路面谱的模拟方法；二维路面的模拟则采用Fourier 逆变换法；基于车流模拟结果和路面不平度模拟结果，结合ANSYS建模技术，建立起ANSYS整体环境下的车流-三维桥耦合振动分析模型，分析模型中的桥梁模型与车辆模型、车辆模型之间均相互独立，通过APDL命令完成随机车流过桥时的耦合振动分析；针对桥面不平度产生的随机激励，课题研究了基于演变随机响应的车-桥耦合系统随机振动及TMD控制，结果表明，跨中支座条件、桥梁截面抗弯刚、度弹性支撑位置、车速、桥面平整度对桥梁跨中位移的均方根值均有着显著的影响；现有关于车-桥系统振动频率的研究成果主要用于解释车-桥耦合系统时变频率的物理现象，很难推广应用于实际车-桥耦合系统的振动频率研究，特别是公路桥的车流-桥系统时变频率问题，课题首先从理论上证明，对于大多数车-公路桥系统，可用计算桥-固定质量系统的频率来代替计算桥-移动质量系统的频率，此结论使得计算车流-公路桥系统的时变频率成为可能；最后，结合元胞自动机随机车流模拟，确定各个时刻桥上车辆的分布，研究了车流作用下实际公路桥的车-桥系统时变频率，结果表明车流-桥系统的时变频率始终小于桥梁自身的频率，随着车流密度的增加，车流-桥系统的时变频率减少，车流密度与车流-桥系统频率有着较强的线性关系。. 课题建立车流-桥耦合振动模型，给出了车流-公路桥耦合振动分析方法和步骤，解决了车流和三维桥的结合问题，能直接应用于实际桥梁的车流-公路桥耦合振动分析，对揭示实际车流作用下车-桥耦合系统动态响应变化规律有重要的价值。