车桥耦合振动数值模型的确定性和不确定性分析方法

发布时间：2017-08-07 03:07

  本文关键词：车桥耦合振动数值模型的确定性和不确定性分析方法

  更多相关文章： 车桥耦合 数值模型 模型对比 区间分析

【摘要】：作为桥梁结构承受的重要荷载之一,车辆荷载是新桥设计、既有桥梁评估和养护中需要考虑的重要因素。相比于静力车辆车载,移动车辆荷载由于路面不平整度的激励等作用,通常会引起更大的桥梁动力响应。研究发现这种动力效应受到很多因素的影响,如桥梁跨径或基频、路面不平整度、车辆悬挂系统、车速、车重等。由于该车桥耦合振动(Vehicle-Bridge Interaction,简称VBI)问题的复杂性,以及现场实测的操作不便性和成本因素,研究者提出了许多VBI数值模型来模拟移动车辆荷载作用下桥梁的动力响应。然而,至今较少有工作全面对比过在不同情况下现有数值模型的准确性、计算效率和适用性。另一方面,大部分研究采用的是确定性分析方法,对车桥系统中内在的不确定性,特别是非概率型不确定性考虑不足,这将对预测移动车辆荷载作用下桥梁动力响应造成偏差。因此,本文从确定性和不确定性两个方面研究了车桥耦合振动系统,期望提供一个对VBI系统更深入的认识以及在不同分析情况下选择合适VBI模型提供参考。主要内容有：(1)确定性分析方面：建立现有几种主流VBI模型。桥梁选用的是常见的公路双车道梁板式简支梁,分别用Euler—Bernoulli梁理论、梁格法、梁—壳组合法、实体单元建模。车辆荷载选用美国AASHTO HS20-44荷载,分别用移动力、移动质量、弹簧—阻尼—质量(Spring-Damper-Mass,简称SDM)系统建模。其中SDM模型中又分为单点接触(Single-Point-Contact,简称SPC)和多点接触(Multiple-Point-Contact,简称MPC)轮胎模型。路面不平整度基于ISO 8608功率谱生成,并分为全相关(Fully-Correlated,简称FC)和部分相关(Partially-Correlated,简称PC)两种情况。文章对比了不同模型间的几种不同的桥梁响应和车轮接触力,研究了VBI系统各组件(桥梁模型、车辆模型、路面不平整度模型)不同建模方式对预测桥梁响应的影响。同时对不同VBI模型的计算效率给出了对比。研究发现桥梁响应计算的准确性受到所使用桥梁模态阶数的影响；不同桥梁模型单元和车轮模型对桥梁加速度的影响比对挠度的影响要大。(2)不确定性分析方面：提出了一种在考虑VBI系统中各参数不确定性的情况下预测桥梁响应的方法。这些桥梁和车辆中的不确定性采用了区间变量而非传统己知概率分布的随机变量来表示。首先建立了一个没有解析解且能考虑路面不平整度的三维VBI系统。再引入基于一阶Taylor展开的区间分析方法(Interval Analysis Method,简称IAM),将桥梁跨中挠度和弯矩显示的表达为关于区间变量的函数。鉴于直接区间运算可能带来过于保守的计算结果,本文采用了粒子群算法求解桥梁响应的上下边界。同时利用子区间技术进一步提高了IAM的精度。通过给出的算例,发现相比于传统的Monte Carlo方法,该IAM能够在不损失较大精度的情况下只需较少的运算次数就能求得桥梁响应边界。这表示该方法能快速高效的处理含有区间不确定性的复杂VBI系统。最后,文章给出了在桥梁和车辆信息有限的情况下利用IAM预测一座实桥的车致响应的例子。
【关键词】：车桥耦合 数值模型 模型对比 区间分析
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-25
• 1.1 研究背景及意义14-23
• 1.1.1 场地试验15-16
• 1.1.2 数值模拟16-18
• 1.1.3 车桥耦合振动的参数分析18-22
• 1.1.4 车桥耦合振动的不确定性分析22-23
• 1.2 车桥耦合振动数值模型研究存在的问题及不足23-24
• 1.2.1 确定性模型分析23-24
• 1.2.2 不确定性模型分析24
• 1.3 本文研究的主要内容24-25
• 第2章 车桥耦合振动数值模型确定性分析25-45
• 2.1 分析模型25-30
• 2.1.1 桥梁模型25-26
• 2.1.2 车辆模型26
• 2.1.3 路面不平整度模型26-30
• 2.2 车桥振动系统30-31
• 2.2.1 移动力模型30
• 2.2.2 移动质量模型30-31
• 2.2.3 SDM模型31
• 2.3 模型验证31-32
• 2.4 数值模拟研究32-43
• 2.4.1 桥梁模型的影响33-38
• 2.4.2 车辆模型的影响38-41
• 2.4.3 路面不平整度模型的影响41-43
• 2.5 计算效率43-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第3章 车桥耦合振动数值模型不确定性分析45-64
• 3.1 车桥耦合振动系统45-46
• 3.2 针对车桥耦合振动系统动力响应的区间分析方法46-51
• 3.3 数值算例51-59
• 3.3.1 桥梁挠度响应区间54-57
• 3.3.2 桥梁弯矩响应区间57-59
• 3.3.3 区间分析方法计算效率59
• 3.4 实桥应用算例59-63
• 3.5 本章小结63-64
• 结论与展望64-66
• 1.本文研究内容及主要结论64
• 2.需要进一步深入研究内容的展望64-66
• 参考文献66-76
• 致谢76-77
• 附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)77

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本文编号：632551