跨海桥行车安全评估理论和行车瞬态气动力机理/现场实测方法研究

跨海大桥的建设在带来交通便捷的同时，也带来了因桥位处大风频袭所导致的风对通行车辆的影响问题。由于车-桥的耦合振动，以及车辆和桥梁之间相互的气动干扰，使桥面的行车安全和舒适性问题远比路面的复杂。本项目拟建立更加完善的考虑驾驶员行为的风-汽车-桥梁耦合振动分析理论，为桥面行车安全和舒适性的研究提供完善的分析系统；研究激励的随机过程性对行车安全可靠度的影响，尝试用车体振动加速度的经验模态分量进行舒适性评价，以期获得行车安全性和舒适性评价的更合理指标；基于动力学反演研究行车气动荷载识别理论，探讨内置加速度传感器的合理布置及荷载识别精度等问题，以此法研究车辆穿过桥塔及桥面局部风环境下发生超车、会车时瞬态气动力的规律；采用计算流体研究桥面发生复杂气动现象时行车周围流场变化的时滞效应，以探讨瞬态气动力的机理。最后，以某大桥为工程背景，评估大桥的行车安全性和舒适性，为大桥管理部门的交通管制提供数据支撑。

本项目建立了完善的考虑驾驶员行为的风-汽车-桥梁空间耦合振动分析的系统，分析了几种典型车辆在斜拉桥桥面行驶的临界风速和车速，研究表明低风速时，大跨桥梁的运动与车辆振动不在一个频段，但在高风速情况下桥梁的抖振与车辆的振动会发生耦合的效应，对桥面行车安全有不利影响。不同类型车辆的事故类型不同，对于箱式货车，侧滑事故起控制作用；对于桑塔纳，侧倾事故起到控制作用。建立了能同时考虑平均风的随机性和环境激励的随机过程性的行车安全概率评价方法，研究表明当行车安全的动力可靠度曲线与平均风速的概率分布密度曲线有交叉，特别是与其峰值区域有交叉时，随机过程性的影响突出。本项目采用计算流体的大涡模拟和动网格技术，重点探讨了桥塔尾流区域的气动力规律和桥面发生超车和会车时的侧向动态气动干扰的机理。详细讨论了计算的几何模型、缩尺比、网格数、近壁面处理和雷诺数等问题，计算结果与相关文献中风洞试验的结果有较好的一致性。研究结果表明桥塔尾流区域存在回流的区域，当车辆在最外侧车道穿过桥塔背风面时，恰好穿过这个回流的区域，遭遇到负的气动力的作用，且由于车辆的穿行，打碎了尾流区域原本存在的两个对称的涡，这使得桥塔两侧原本参与到回流中的气流不再转向并形成回流，当车辆从桥塔背风面穿出时，这部分气流挤压到车辆迎风侧，造成车辆气动力在此处的明显抬升，并明显大于车辆即将进入桥塔背风面时气动力的值。这解释了车辆在强风环境下高速穿出桥塔背风面时易出现翻车事故。侧风环境下发生超车和会车时，移动车辆的动态气动干扰与静止车辆的侧向干扰有本质的不同。超车时，背风侧车辆的最小侧向力系数发生在背风侧主超车车头与迎风侧被超车车尾平齐的时刻；会车时，背风侧车辆最小侧向力系数出现在会车结束后，两车车尾相距将近2倍车长的位置。这是由于车辆的移动，行车尾部形成了负压的空腔，它对周围气流具有吸附作用，这个吸附作用迫使其后的侧风改变流向。这一转向效应使得超车和会车过程中，即便没有直接的侧向遮挡效应时，背风侧车辆也会受到迎风侧车辆的明显干扰。