风-汽车-桥梁系统空间耦合振动研究(1)

公路桥梁车桥耦合振动研究【摘要】近年来，我国路桥工程建设为交通行驶创造了优越的环境，推动了地区之间的经济文化交流，促进了国民经济收入水平的提高。

与发达国家相比，国内路桥施工技术相对落后，对动力学理论研究不足误导了后期作业秩序，限制了路桥结构性能的充分发挥。

“车桥耦合振动”现象是路桥交通的常见现象，若控制不当则会影响路桥的使用寿命及运行状态。

针对这一点，本文分析了影响车桥耦合振动的相关因素，并通过计算机建立自动分析平台，为路桥交通的正常运行提供了帮助。

【关键词】路桥；耦合振动；成因；处理对策耦合振动是动力学理论中研究的重点，对不同物体在不同状态下的受力情况进行了详细地分析。

车桥耦合振动是由于车辆与路桥结构之间产生相互的力作用，两种受力荷载大小相同时易产生车桥耦合振动现象，约束了路桥结构性能的正常发挥，不利于交通行驶的安全运行。

工程单位在维护路桥工程阶段，应加强车桥耦合振动的分析，结合具体原因制定有效的控制对策。

一、车桥耦合振动研究的现状从本质上看，车桥耦合振动是一种相互性的力学作用，力学作用控制不当会限制路桥性能的发挥。

车辆过桥时会引起桥梁的振动，桥梁的振动反过来也会影响车辆的振动，即形成车桥耦合振动问题。

当前，我国公路交通运输的全面提速，为了有效的对既有桥梁运营状态进行评估，以及对新建、改建桥梁进行优化设计，均需对车辆过桥时的车桥耦合振动问题进行分析[1]。

随着公路交通事业的迅速发展，车辆与桥梁结构的动力相互作用越来越受到重视。

车辆和桥梁间力学作用形式多样，会呈现出不同的动力特点，如：车辆的动力特性，车型、阻尼、自振频率等；桥梁结构的动力特性，质量与刚度分布、桥跨结构形式、材料阻尼等；桥头引道和桥面的平整状态、伸缩缝装置及桥头沉陷的状况。

而计算机仿真模拟是目前最方便、最快捷、最经济的计算分析方法。

二、计算机力学模型研究的优点从长远角度考虑，选择一种通用性强、应用性广、开发前景广阔的研究模式，分析车桥耦合振动响应具有多方面的意义。

浅析桥梁结构的风-车-桥耦合振动问题1 引言：随着我国经济的飞速发展，大跨度桥梁越来越多，由于柔度很大，所以在风和上面的车辆作用下，会产生较大的变形和振动会对上面的行人以及桥梁产生较大的危险。

因而对风-车-桥耦合振动的研究也越来越重要。

本文介绍了目前国内和国外风-车-桥耦合振动研究的概况以及工作中尚存的有待进一步完善的问题，并指出了风-车-桥耦合振动问题未来发展趋势。

2 国内和国外风-车-桥耦合振动研究的概况以及工作中存在的问题2.1国内风车桥耦合振动研究概况我国学者以结构动力学为基础，分析了连续梁桥结构在汽车荷载作用下的动态性能，并运用计算机模拟、讨论了不同车速、车型情况下的桥梁动态响应变化，以此分析出影响结构动态性能的主要因素2]-[3]。

为简化分析的过程，在他们的研究中将桥梁简化为线性系统，略去了桥面和横梁的约束，在计算中采用设计中常用的截面换算法，将钢筋换算成混凝土，同时将截面折算成等面积的矩形，且仅考虑梁的弯曲振动，而不计梁的转动惯量和剪切变形的效应[4]。

2005年，王解军等采用2轴车辆分析模型与梁单元，建立了适应于大跨桥梁车辆振动计算的车桥耦合单元模型，基于功率谱密度函数生成随机路面粗糙度，分析阻尼对行车荷载作用下桥梁振动性能的影响[5]。

北方交通大学夏禾教授、阎贵平教授等研究了考虑车-桥-基础相互作用系统的结构动力可靠性问题桥梁结构在多种随机荷载作用下车桥系统动力可靠性问题、脉动风与列车荷载同时作用下桥梁的动力响应问题，分析了地震荷载对桥上列车运行平稳性的影响得到了许多有价值的结论[6]。

2.2国外风车桥耦合振动研究概况20世纪60；70年代西欧和日本开始修建高速铁路对桥梁动力分析提出了更高的要求同时电子计算机的出以及有限元技术的发展使得车桥振动研究具备了强有力的分析手段这极大地促进了车桥耦合振动研究的向前发展。

美国伊利诺理工学院的K.H.Chu等人最早采用复杂的车辆模型来分析铁路车桥系统的振动响应问题即将机车车辆简化为由车体、前后转向架、各轮对等部件组成各部件看成刚体在空间具有6个自由度之间通过弹簧与阻尼联系起来[7]。

标准跨径连续刚构桥风-车-桥耦合振动分析发布时间：2023-01-03T06:23:37.669Z 来源：《工程建设标准化》2022年9月第17期作者：彭重驹[导读] 针对某城际轨道交通两联4×40m连续刚构桥建立车-桥系统空间耦合振动分析模型，彭重驹瀚阳国际工程咨询有限公司，广东广州，510220 摘要：针对某城际轨道交通两联4×40m连续刚构桥建立车-桥系统空间耦合振动分析模型，通过CFD数值模拟，得到列车及桥梁的气动三分力系数，将风荷载作为外部激励，以轨道不平顺作为自激励，根据弹性系统动力学总势能不变值原理和形成矩阵的“对号入座”法则形成风-车-桥系统的空间振动矩阵方程，对CRH6型列车在无风和风速分别为15m/s、20m/s、25m/s、30m/s的情况下以100~240km/h、100~200km/h的速度分别通过设置横向限位装置和未设横向限位装置的两联4×40m连续刚构桥时的列车及桥梁的动力响应指标进行计算分析和比较。

结果表明：设置横向限位装置的桥梁相对于未设横向限位装置的而言，其桥墩墩顶横向位移有一定程度的减小且列车双线运行时的减幅更大，而跨中位移、加速度，两端转角等均无明显差别。

当列车单线运行通过设置横向限位装置和未设横向限位装置的桥梁时，其各项动力响应指标均无明显差别；当列车双线运行通过设置横向限位装置的桥梁时，其脱轨系数、轮重减载率、横向力、横向加速度、横向Sperling舒适性指标等动力响应指标较列车双线运行通过未设横向限位装置的桥梁时有明显改善，其竖向加速度、竖向Sperling舒适度指标等无明显差别。

关键词：风-车-桥耦合振动；数值模拟；连续刚构桥；动力响应城际轨道交通是城市群区域主要城市之间或在某一大城市轨道交通通勤圈范围内修建的客运轨道交通系统，其高速度、公交化和大运力的特点可满足我国城市群快速发展对交通网的需求[1]。

高架线是城际轨道交通的一种重要敷设形式，目前城际轨道交通项目中高架结构主要以整孔预制简支箱梁方案为主，而在城市轨道交通领域，已成功应用了节段预制结合连续刚构的创新方案，如广州地铁21号线等。

桥梁抗风型TMD对车-桥耦合振动系统减振性能研究刘修平;王涛;杨克焕;冯宇;韩万水【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2024(43)5【摘要】为研究桥梁抗风型调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)对车辆荷载引起结构振动的减振效果,并揭示车载作用下的TMD激振机理,提出了基于模态动能演化的多自由度结构TMD控制方法,确定了安装TMD的最优设计参数和布设位置;考虑桥梁有限元模型动力求解的通用性,基于桥梁三维动力分析系统BDANS软件建立了车-桥-TMD动力耦合分析系统;以经典单自由度移动弹簧质量过简支梁模型为研究对象,分析了车-桥-TMD系统振动特性,结合某深水区非通航桥梁抗风型TMD工程实例分析了TMD对车致振动的减振效果和机理。

研究结果表明:TMD行程幅值与减振效果呈现正相关特点,即行程幅值越大对车-桥动力效应引起的振动减振效果越好;安装TMD可以显著提高结构的等效阻尼比,满足等效阻尼比>1%的工程需求,提高桥梁结构振动的稳定性;TMD在一定条件下可以减小车辆通过时引发桥梁竖向位移冲击效应,最大可减少3%左右;TMD对车-桥2个子系统的加速度瞬态峰值均起到了一定的抑制效果,尤其对桥梁结构竖向振动加速度作用效果明显,安装TMD后的桥梁跨中竖向振动加速度RMS值减少约20%;对大跨钢箱桥梁而言,相比较小的车辆荷载冲击效应,一阶竖弯呈邻跨反对称特性的桥梁结构在车辆通行过程中更容易激起TMD,使桥梁结构获得更佳的减振效果。

【总页数】10页(P121-130)【作者】刘修平;王涛;杨克焕;冯宇;韩万水【作者单位】长安大学公路学院;广东华路交通科技有限公司【正文语种】中文【中图分类】U441.3【相关文献】1.泸州市长江六桥(邻玉)主桥风-车-桥耦合振动性能研究2.MR-TMD减振系统对连续箱梁桥振动控制研究3.风速场模型对风-车-桥系统耦合振动特性影响研究4.风-车-桥系统非线性空间耦合振动研究5.考虑车辆位置影响的风-车-桥系统耦合振动研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第29卷第12期V ol.29 No.12 工程力学2012年 12 月 Dec. 2012 ENGINEERING MECHANICS 114 文章编号：1000-4750(2012)12-0114-07大跨度公轨两用悬索桥风-车-桥耦合振动及抗风行车准则研究李永乐1，董世赋1，臧瑜2，强士中1(1. 西南交通大学桥梁工程系，四川，成都 610031；2. 上海市政工程设计研究总院，上海 200092)摘要：将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统，基于风-车-桥系统空间耦合分析模型，以一大跨度公轨两用悬索桥为例，采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS(Bridge Analysis System)分析了风荷载作用下桥梁和车辆的动力响应，讨论了风速、车速及轨道交通布置方式等因素的影响；同时，基于合理的列车运行安全性和舒适性评价指标，对列车通过该桥时的走行安全性与舒适性进行了分析，得出了该悬索桥的抗风行车准则：当风速小于20m/s时，车速可达设计车速80km/h；当风速介于20m/s和25m/s之间时，车速不能大于60km/h；当风速大于25m/s时，应封闭轨道交通。

关键词：风-车-桥系统；耦合振动；抗风行车准则；风荷载；悬索桥中图分类号：U448.25 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2011.03.0158COUPLING VIBRATION OF WIND-VEHICLE-BRIDGE SYSTEM FOR LONG-SPAN ROAD-RAIL SUSPENSION BRIDGE AND RESISTANT-WINDCRITERION OF RUNNING TRAINLI Yong-le1 , DONG Shi-fu1 , ZANG Yu2 , QIANG Shi-zhong1(1. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China;2. Shanghai Municipal Engineering Design General Institute, Shanghai 200092, China)Abstract: Wind, vehicle and bridge can be regarded as a coupled vibration system. Based on the novel three-dimensional dynamic model of the wind-vehicle-bridge system, the dynamic responses of vehicles and bridge of a long-span road-rail suspension bridge under wind action were analyzed to demonstrate the effects of wind speed, vehicle speed and the layout of track system using the self-developed software, BANSYS (Bridge Analysis System). Based on the reasonable assessment index, the train running safety and passenger riding comfort across the bridge were studied and the resistant-wind criterion of running train was obtained: the trains can safely pass the bridge with the design speed (80 km/h) when the wind speed is lower than 20 m/s; or no more than 60 km/h when the wind speed is 20~25 m/s; the rail traffic must be closed when the wind speed is above 25 m/s.Key words:wind-vehicle-bridge system; coupled vibration; resistant-wind criterion of running trian; wind load;suspension bridge———————————————收稿日期：2011-03-23；修改日期：2011-07-15基金项目：国家自然科学基金项目(50508036)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0802)；四川省杰出青年学科带头人计划项目(2009-15-406)通讯作者：李永乐(1972―)，男，河南洛阳人，教授，博士，博导，主要从事大跨桥梁风致振动及车桥耦合振动等动力行为研究(E-mail: lele@).作者简介：董世赋(1986―)，男，江西赣州人，硕士生，主要从事桥梁风工程及车桥耦合振动方面的研究(E-mail: dsfzw@)；臧瑜(1960―)，男，江苏无锡人，教授级高工，学士，主要从事桥梁设计及相关研究(E-mail: smedi_zy@)；强士中(1941―)，男，陕西礼泉人，教授，博士，博导，主要从事桥梁结构稳定、疲劳及桥梁动力学方面的研究工程力学 11521世纪，随着世界经济和交通运输的迅速发展，大跨度桥梁的需求也越来越大。

1.车-桥耦合动力相互作用的研究现状目前各国主要针对地铁、公路、轻轨等交通系统开展振动的研究工作，面对高架路的振动研究近于空白。

由于高架桥跟其他桥梁有相似和共同的地方，国内外对于其他桥梁上行车舒适度研究相对较多，因此可以很好的借鉴到高架桥上。

车桥桥梁振动问题的研究一直得到国内外学者的普遍关注。

随着计算机和有限元方法的发展，车辆振动分析的现代理论以考虑更加接近真实的三维空间车辆模型和桥梁理想化为多质量的有限元或有线条模型并考虑车桥耦合振动为主要特点，同时还要计及路面不平顺度这一随机因素的影响。

故车辆桥梁系统动力响应的研究有待于进一步的深入和完善。

在此基础上，方能对行车舒适度进行深入研究。

古典理论最初提出了将列车简化为移动常量力[1]或者移动质量作用于桥梁上。

之后，Michaltsos[2]等将列车模拟为移动的质量块，采用级数的方法研究了均匀截面简支梁在移动质量块作用下的动力响应。

Garinei[3]等研究了高速移动的简谐荷载作用下简支梁的动力特性等。

随着数学、力学、电子计算机的应用以及有限元技术的发展，人们可以建立比较真实的车辆和桥梁的空间计算模型，从而更精确地模拟车桥空间模型以及它们之间的耦合振动，并考虑引起激励的轨道不平顺、车辆加速和减速等复杂因素。

车桥耦合振动的研究从而有了飞速的进步。

美国Chu[4,5]等最早采用多刚体多自由度的复杂车辆模型，认为车辆由车体、转向架构架、轮对等刚体组成，各刚体在空间具有6个自由度。

Green和Cebon[6]提出了在频域内利用模态脉冲响应函数和模态激扰力求解分离的车桥系统方程的方法。

Walter[7]等采用Ritz能量法得到了拱桥在高速列车作用下的动力响应的闭合解，讨论了荷载分布情况、列车速度等因素的影响。

在国内，夏禾教授及其课题组在车-桥耦合振动方面进行了大量的研究。

夏禾[8]等在桥梁模型中引进了模态综合技术，用振型叠加法来计算桥梁的反应，仅考虑少数一些振型就可以获得满意的精度；张楠[9,10]通过理论计算与现场试验研究了高速列车与桥梁的动力相互作用，模拟了中华之星列车高速通过秦沈客运专线24m双线预应力混凝土简支箱梁桥的全过程，计算了列车-桥梁的动力响应，并与现场实测结果进行了对比。

车辆耦合振动课程报告2016年3月随着我国经济的飞速发展，大跨度桥梁越来越多，由于柔度很大，所以在风和上面的车辆作用下，会产生较大的变形和振动会对上面的行人以及桥梁产生较大的危险。

因而对风 - 车 - 桥耦合振动的研究也越来越重要。

在此简要介绍国内和国外风 - 车 - 桥耦合振动发展的概况1 国内风车桥耦合振动研究概况我国学者以结构动力学为基础，分析了连续梁桥结构在汽车荷载作用下的动态性能，并运用计算机模拟、讨论了不同车速、车型情况下的桥梁动态响应变化，以此分析出影响结构动态性能的主要因素。

为简化分析的过程，在他们的研究中将桥梁简化为线性系统，略去了桥面和横梁的约束，在计算中采用设计中常用的截面换算法，将钢筋换算成混凝土，同时将截面折算成等面积的矩形，且仅考虑梁的弯曲振动，而不计梁的转动惯量和剪切变形的效应[4]。

2005 年，王解军等采用 2 轴车辆分析模型与梁单元，建立了适应于大跨桥梁车辆振动计算的车桥耦合单元模型，基于功率谱密度函数生成随机路面粗糙度，分析阻尼对行车荷载作用下桥梁振动性能的影响。

北方交通大学等研究了考虑车 - 桥 - 基础相互作用系统的结构动力可靠性问题桥梁结构在多种随机荷载作用下车桥系统动力可靠性问题、脉动风与列车荷载同时作用下桥梁的动力响应问题，分析了地震荷载对桥上列车运行平稳性的影响得到了许多有价值的结论。

2 国外风车桥耦合振动研究概况20 世纪 60；70 年代西欧和日本开始修建高速铁路对桥梁动力分析提出了更高的要求同时电子计算机的出以及有限元技术的发展使得车桥振动研究具备了强有力的分析手段这极大地促进了车桥耦合振动研究的向前发展。

美国伊利诺理工学院的 K.H.Chu 等人最早采用复杂的车辆模型来分析铁路车桥系统的振动响应问题即将机车车辆简化为由车体、前后转向架、各轮对等部件组成各部件看成刚体在空间具有 6 个自由度之间通过弹簧与阻尼联系起来[7]。

以轨道横向与竖向不平顺为激励源将整个车桥系统划分成车辆与桥梁两个子系统分别建立车辆与桥梁的运动方程以轮轨相互作用将这两个运动方程联系起来 K.H.Chu 等人所建立的多刚体多自由度车辆分析模型得到了后来各国研究人员的广泛采纳对现代车桥振动研究理论产生了深远影响。