【摘 要】
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随着基础建设的不断完善,大跨度连续刚构桥大量修建于山区峡谷中,这些桥梁往往处于大风环境下;风荷载作用下车辆与桥梁的振动响应会相应增大,同时也会降低车辆的舒适性和行车安全性;近些年来雨、雪、冰等恶劣天气的频繁出现,更加剧了车辆的行车安全性,使得桥上车辆的行车安全性研究越发重要。本文以位于山区峡谷上的木绒大桥为工程背景,基于风-车-桥耦合振动理论,运用风-车-桥耦合振动分析程序建立分析模型对连续刚构桥
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随着基础建设的不断完善,大跨度连续刚构桥大量修建于山区峡谷中,这些桥梁往往处于大风环境下;风荷载作用下车辆与桥梁的振动响应会相应增大,同时也会降低车辆的舒适性和行车安全性;近些年来雨、雪、冰等恶劣天气的频繁出现,更加剧了车辆的行车安全性,使得桥上车辆的行车安全性研究越发重要。本文以位于山区峡谷上的木绒大桥为工程背景,基于风-车-桥耦合振动理论,运用风-车-桥耦合振动分析程序建立分析模型对连续刚构桥的行车安全性进行分析研究。本文主要内容下:(1)通过假想虚拟标准气象站的基本风速分析方法,确定桥梁的设计基准风速。通过桥址区周边200km以内的气象观测站的实际风速观测数据,考虑海拔和地形的影响,修正后得到木绒大桥桥址区的设计基准风速,采用自编程序运用谐波合成法理论生成桥址区三维脉动风场。(2)运用有限元软件建立连续刚构桥有限元模型,进行模态分析;基于达朗贝尔原理建立两轴车辆和三轴车辆的运动方程。(3)基于风-车-桥耦合振动理论,采用三角级数法和谐波合成法模拟路面不平整度,考虑风荷载对桥梁和车辆的作用建立风-车-桥耦合振动微分方程,采用Newmark-β法对振动方程进行求解。(4)基于CFD数值模拟理论,采用小牛CFD二维流体计算软件建立车-桥断面模型,开展流体分析,确定断面的静力三分力系数;通过对不同断面、不同车辆的车-桥断面静力系数研究分析发现:桥梁断面的改变对桥梁的阻力系数和升力系数影响较为明显,对桥梁的扭转力矩系数影响不大,随着梁高的增大,阻力系数逐渐增大,升力系数逐渐减小;随着风攻角的增大,桥梁断面的阻力系数呈现出先逐渐减小后逐渐增大的“V”型走势,桥梁断面的阻力系数波动较大,无明显规律,桥梁断面扭转力矩系数总体上呈现逐渐减小的趋势;车辆对桥梁断面的阻力系数影响较小,对桥梁断面的升力系数和扭转力矩系数影响相对明显;(5)引入公路车辆安全性评价标准,采用风-车-桥耦合振动软件对随机车流在不同路面等级、不同风速、不同路面摩擦条件下的行车舒适性和行车安全性开展分析研究。通过分析发现:随着路面粗糙度增加,梁端折角、竖向位移变化较小,而车辆的竖向振动响应逐渐增大;桥梁跨中的竖向、横向和扭转角位移均与风速大小成非线性递增关系;(6)忽略风荷载作用时,A型车(三轴满载重货)竖向振动响应最小,D型车(厢式空载货车)竖向振动响应最为激烈,车辆的质量、刚度和阻尼特性对于车辆的振动响应具有非常明显的影响;D型车(厢式空载货车)乘坐舒适性最差,C型车(厢式满载货车)次之,A型车(三轴满载重货)和B型车(两轴满载重货)舒适性相对较好,E型车(轿车)乘坐舒适性最好;风荷载对车辆的竖向舒适性影响较小,主要影响车辆的横向舒适性,随着风速的增加,车辆横向舒适性逐渐降低;当平均风速为15m/s(瞬时风速为15.17m/s)时,E型车(轿车)将发生侧滑,当平均风速为20m/s(瞬时风速为21.06m/s)时,E型车(轿车)将发生侧倾;平均风速为10m/s,路面出现积雪时,E型车(轿车)将发生侧滑,路面结冰后,D型车(厢货空载货车)和E型车(轿车)将发生侧滑。
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