考虑风荷载不确定性的复杂山区桥梁车桥耦合振动性能研究

With the development of "Western Development" and "The Belt and Road" projects, especially the Sichuan-Tibet Railway, which has already started, is the most significant Chinese project in next years, and its route cross through extremely complex topographical area such as high mountains and deep valleys. More and more high-speed railways should cross complex mountain area, which leads that both the proportion of bridges in the railway and the probability of vehicle running on the bridge subjected to wind load are increasing. The complex topography increases the uncertainties of wind load. Therefore, the vibration performance analysis of vehicle-bridge coupling system considering uncertainties of wind load in complex mountain area is significant to be investigated. Theoretical derivation, wind field measurement, wind tunnel test and numerical simulation are selected as the methodologies of this study. The research on random vibration of vehicle-bridge coupled system considering the uncertainty of wind load is proposed, coming up with a new efficient algorithm. Based on the measured data and the results of wind tunnel test, the uncertain model of static and fluctuating wind load in mountain area is established. The influence of static and fluctuating wind load on the vibration performance of coupling system subjected is studied. The relationship between wind load and rail irregularities is also investigated.

随着西部大开发、一带一路等国家战略的推进，尤其是已动工的川藏铁路，作为国家十三五重大建设项目计划的重中之重，其线路经过高山深谷等地形条件极其复杂的地区。高速铁路需要跨越复杂的山区峡谷，其中，桥梁在线路所占比重随之增高。复杂山区峡谷风具有高风速、强随机性和非平稳性、大风向角和风攻角等复杂风场特点，当桥上有高速运行车辆时，这种风会显著影响桥梁车桥耦合振动性能，产生行车安全和舒适性问题。本项目采用理论推导、现场实测、风洞试验和数值模拟等手段开展考虑风荷载不确定性的复杂山区桥梁车桥耦合系统振动性能研究。本项目基于虚拟激励算法的基本思想，提出考虑风荷载不确定性的车桥耦合系统随机振动高效求解算法；基于实测数据，结合数值模拟和风洞试验结果，建立复杂山区的平均风和脉动风的不确定性模型；揭示静风荷载和脉动风荷载不确定性作用下车桥耦合的振动性能，研究风荷载与轨道不平顺之间的相互关系。

随着西部大开发、一带一路等国家战略的推进，高速铁路需要跨越复杂的山区峡谷，其中，桥梁在线路所占比重随之增高。复杂山区风环境复杂多变，当桥上有高速运行车辆时，这种风会显著影响桥梁车桥耦合系统振动性能，产生行车安全和舒适性问题。本项目采用开展考虑风荷载不确定性的复杂山区车桥耦合系统振动性能研究。本项目基于虚拟激励算法的基本思想，提出考虑风荷载不确定性的车桥耦合系统随机振动高效求解算法，并对其适用性进行验证，计算效率提高了7倍左右，此外，车桥系统的振动响应服从类正态分布，车辆质量的不确定性将对系统动力效应产生较大影响；基于实测数据和风洞试验结果，建立了车桥系统的气动导纳函数方程式，不同基础设施对气动导纳函数具有较大的影响，进而影响列车运行安全性，而气动导纳函数在求解风车桥系统问题中不可忽视；揭示平均风和脉动风作用下车桥耦合的振动性能，脉动风将进一步增大系统动态效应的不可预测性，研究风荷载与轨道不平顺之间的相互关系。同时，，建立了车辆的多刚体运动学模型，并将桥梁有限元模型转换为一个柔性体，提出了哑元连接单元，实现了风车桥系统在SIMPACK软件中的应用。依托此项目发表SCI论文5篇，EI论文1篇，授权发明专利2项，参加国际会议一项。所提出的随机虚拟激励算法、导纳函数方程式以及多刚体运动学风车桥系统的力学模型能够大幅降低不确定性风车桥系统振动分析的计算成本，提升学科认可度，推动行业发展，为列车跨越山区峡谷等复杂地形地貌的安全性和平稳性提供重要的理论支持和数据保证，具有较强的科学意义。