車橋耦合振動數值模型的確定性和不確定性分析方法.pdf

1、作為橋梁結構承受的重要荷載之一，車輛荷載是新橋設計、既有橋梁評估和養(yǎng)護中需要考慮的重要因素。相比于靜力車輛車載，移動車輛荷載由于路面不平整度的激勵等作用，通常會引起更大的橋梁動力響應。研究發(fā)現(xiàn)這種動力效應受到很多因素的影響，如橋梁跨徑或基頻、路面不平整度、車輛懸掛系統(tǒng)、車速、車重等。由于該車橋耦合振動(Vehicle-Bridge Interaction，簡稱VBI)問題的復雜性，以及現(xiàn)場實測的操作不便性和成本因素，研究者提出了許多VB

2、I數值模型來模擬移動車輛荷載作用下橋梁的動力響應。然而，至今較少有工作全面對比過在不同情況下現(xiàn)有數值模型的準確性、計算效率和適用性。另一方面，大部分研究采用的是確定性分析方法，對車橋系統(tǒng)中內在的不確定性，特別是非概率型不確定性考慮不足，這將對預測移動車輛荷載作用下橋梁動力響應造成偏差。
　　因此，本文從確定性和不確定性兩個方面研究了車橋耦合振動系統(tǒng)，期望提供一個對VBI系統(tǒng)更深入的認識以及在不同分析情況下選擇合適VBI模型提供參考

3、。主要內容有:
　　(1)確定性分析方面:建立現(xiàn)有幾種主流VBI模型。橋梁選用的是常見的公路雙車道梁板式簡支梁，分別用Euler-Bernoulli梁理論、梁格法、梁-殼組合法、實體單元建模。車輛荷載選用美國AASHTO HS20-44荷載，分別用移動力、移動質量、彈簧-阻尼-質量(Spring-Damper-Mass，簡稱SDM)系統(tǒng)建模。其中SDM模型中又分為單點接觸(Single-Point-Contact，簡稱SPC)和多

4、點接觸(Multiple-Point-Contact，簡稱MPC)輪胎模型。路面不平整度基于ISO8608功率譜生成，并分為全相關(Fully-Correlated，簡稱FC)和部分相關(Partially-Correlated，簡稱PC)兩種情況。文章對比了不同模型間的幾種不同的橋梁響應和車輪接觸力，研究了VBI系統(tǒng)各組件（橋梁模型、車輛模型、路面不平整度模型）不同建模方式對預測橋梁響應的影響。同時對不同VBI模型的計算效率給出了對比

5、。研究發(fā)現(xiàn)橋梁響應計算的準確性受到所使用橋梁模態(tài)階數的影響;不同橋梁模型單元和車輪模型對橋梁加速度的影響比對撓度的影響要大。
　　(2)不確定性分析方面:提出了一種在考慮VBI系統(tǒng)中各參數不確定性的情況下預測橋梁響應的方法。這些橋梁和車輛中的不確定性采用了區(qū)間變量而非傳統(tǒng)已知概率分布的隨機變量來表示。首先建立了一個沒有解析解且能考慮路面不平整度的三維VBI系統(tǒng)。再引入基于一階Taylor展開的區(qū)間分析方法(IntervalAnal

6、ysis Method，簡稱IAM)，將橋梁跨中撓度和彎矩顯示的表達為關于區(qū)間變量的函數。鑒于直接區(qū)間運算可能帶來過于保守的計算結果，本文采用了粒子群算法求解橋梁響應的上下邊界。同時利用子區(qū)間技術進一步提高了IAM的精度。通過給出的算例，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的Monte Carlo方法，該IAM能夠在不損失較大精度的情況下只需較少的運算次數就能求得橋梁響應邊界。這表示該方法能快速高效的處理含有區(qū)間不確定性的復雜VBI系統(tǒng)。最后，文章給出了在橋