公路桥梁非平稳随机激励车桥耦合振动响应研究

It is well known that bridge roughness irregularity is a main factor which can cause random vibration of vehicle-bridge coupling among many factors which affecting the dynamic response of vehicle-bridge system.Due to varieties of simulate method and randomicity of bridge roughness excitation, there has very evident scattering treated the bridge deck surface irregularity as a time-history sample in order to compute the dynamic responses of vehicle-bridge system. Treated the road bridge as the researched object considering non-stationary road surface random excitation, the project will deal with non-stationary random vibration of vehicle-bridge coupling system such as building model, analysis of algorithm and influencing factor. The main contents contain such aspects as follow. Considering the effects of non-constant speed vehicle and bridge deck roughness, the coherent time domain model of non-stationary road surface excitation are built. A new model of mutiple-point absolute coherent model about road bridge-vehicle coupling vibration system is presented when pseudo excitation method (PEM) and the coherent time domain model of road surface excitation will been introduced. Many factors effecting the dynamic response of vehicle bridge vibration systems will been studied based on probability statistics. Many parametric studies are performed to identify the effects of human perceptibilty curves (graphs of perceptible vibration acceleration versus vibration frequency) based on ride comfort through building the vibration system of vehicle-bridge-person. The results will put forward a new method to analyze the non-station random vibration of road bridge subject to moving loads. At the same time, the results can provide an academic foundation when researching ride comfort.

影响公路桥梁车桥耦合振动响应的众多因素中，桥面不平顺是一种主要因素。由于模拟桥面不平顺激励方法的多样性及模拟结果的随机性，使得采用确定性振动方法分析不平顺对车桥耦合振动响应具有很大离散性。本课题以路面非平稳随机输入的公路桥梁为研究对象，对公路桥梁车桥耦合随机振动的模型建立、算法分析、模型效验及影响因素展开研究。具体内容包括：建立单轮车桥耦合平稳随机振动模型，开发求解算法；考虑车辆变速及路面谱激励，建立路面随机输入的相干时域模型；将虚拟激励法及路面输入相干时域模型引入公路桥梁车桥耦合振动模型中，建立多点完全相干的公路桥梁车桥耦合随机振动模型；基于实测响应均方根值及方差，效验虚拟激励求解车桥耦合随机振动有效性；分析各因素对公路车桥耦合随机振动响应的影响，基于实测及随机振动模拟结果，回归冲击系数表达式。课题的研究，将为公路桥梁的随机振动开辟新的计算方法，为更加准确研究公路桥梁冲击系数奠定基础。

路面不平顺是影响车桥耦合振动的一个主要因素，路面不平顺激励具有很强的随机性，目前研究路面不平顺对车桥耦合振动响应的影响，主要采用现场测试路面不平顺时间历程或依据功率谱密度函数生成路面不平顺激励样本，逐一求解单个路面不平顺样本对桥梁的冲击影响，通过逐步积分求解车桥耦合系统响应，并以此分析路面不平顺激励对振动响应的影响，但这只是随机过程的一次实现，并未体现出系统本身的随机振动特性，当对其进行统计分析时，需选取足够多的样本，计算量十分庞大，而实际过程中，由于车辆的变速行驶，输入各车轮的路面不平顺激励是非平稳且相干的。本项目研究了路面不平顺激励引起的公路梁桥车桥耦合非平稳随机振动，采用PEM将路面不平顺激励等效为一系列竖向简谐荷载叠加，引入模态综合叠加技术，结合PIM迭代格式和Newmark-β迭代格式进行求解。研究了匀速移动弹簧质量车模型作用下车桥耦合振动模型的精细算法，独轮车模型作用下的车-桥耦合的平稳随机振动模型，路面相干谱激励作用下车桥耦合的非平稳随机振动，以某三跨连续梁桥为工程背景，展开车桥耦合振动缩尺模型试验、现场实测及数值分析，对冲击系数进行统计回归分析。研究结果表明：车桥耦合振动系统，采用模态综合法结合PIM迭代格式具有较好的通用性和准确性，能不受积分步长的限制，达到快速收敛效果，可用于求解长大跨桥梁及多车耦合振动响应。精细积分法结合Cotes迭代格式求解车桥耦合振动问题，具有快速收敛且计算较快的优势。虚拟激励法计算结果能较好的与Monte-Carlo法计算结果吻合，ISO谱引起桥梁振动响应随车速变化敏感性比GB7031谱和Wang谱更明显。研究路面不平顺激励对车桥耦合振动影响时，需考虑路面不平顺输入激励的空间效应和路面谱相干函数的影响。基频在2Hz～6Hz内的梁桥，冲击系数可以采用拟合公式 。项目成果为研究公路桥梁车桥耦合非平稳随机振动开辟了新的计算方法，提出了常用公路梁式桥的建议冲击系数表达式，为桥梁设计及养护时冲击系数的取值提供参考依据。