汽车与桥梁耦合振动理论及工程应用_李岩_9787513074629

汽车与桥梁耦合振动是影响桥梁结构性能和行车舒适性、安全性的重要因素,相关研究可为桥梁设计和运营维护提供理论和技术支撑。本书主要介绍汽车与桥梁耦合振动的研究现状及展望,汽车与桥梁耦合振动分析理论和方法及相关计算模型的建立,桥梁车载动力性能的分析与评估,考虑随机车流、汽车制动和曲线梁桥等特殊条件的车桥振动分析,考虑车桥振动的装配式梁桥横向联系疲劳评估,考虑腐蚀与风车联合作用的斜拉桥拉索疲劳可靠性分析,基于车激动力响应的桥梁下部结构损伤诊断方法,以及上述研究内容在公路和城市桥梁工程中的应用实例。本书可供土木工程和交通运输工程等领域的科研和工程技术人员参考,也可作为高等院校相关专业的研究生教材和教学参考书。

汽车荷载是公路和城市桥梁运营期内主要的外部作用，移动汽车与桥梁的动力相互作用已成为影响桥梁结构性能、安全状态和车辆运行平顺性等指标的重要因素。随着公路物流业朝着高速化和重型化方向快速发展，同时新工艺、新材料、新技术的应用促使桥梁结构不断向大跨和轻型化方向发展，移动车辆引起的桥梁动力效应越发显著，汽车与桥梁耦合振动问题正得到越来越多的关注与重视。
近年来国内外桥梁垮塌事故频发，究其原因，除洪水、地震等自然因素和施工等人为因素的影响外，桥梁长期累积损伤和外部环境的联合作用是重要的因素。工程实例表明，汽车荷载与桥梁的耦合动力行为已成为导致桥梁结构性能持续劣化乃至发生恶性事故的重要影响因素，移动车辆动力作用对桥梁结构工作性能和长期服役安全的影响问题不容忽视。同时，汽车与桥梁动力相互作用也是影响过桥车辆运行舒适性和安全性的重要因素。此外，基于车桥耦合振动的桥梁结构诊断与检测研究也成为新的研究热点。
基于上述背景，笔者近年来在汽车与桥梁耦合振动理论及工程应用方面开展了一系列研究工作，本书是对其中部分工作的总结。全书共分为七章，第１章介绍了汽车与桥梁振动领域的相关研究现状及发展展望；第２章推导建立了公路常见车型的动力分析模型，形成了基于模态综合技术的车桥耦合振动分析方法，并开发了相应的分析程序，进而通过工程实例进行了验证；第３章依托工程实例介绍了桥梁车载动力性能分析与评价方法；第４章介绍了复杂条件下车桥振动分析方法及工程应用实例；第５章介绍了考虑车桥振动的装配式梁桥横向联系疲劳评估方法，并依托工程实例对车辆超载等多种影响因素进行了分析；第６章在随机车辆风荷载桥梁系统动力响应分析理论框架下开展了考虑腐蚀影响的运营条件下斜拉桥拉索疲劳可靠性分析方法和使用性能预测研究；第７章将移动车辆制动作为外部激励，提出一种联合车桥振动和小波包分析的桥梁下部结构损伤诊断方法，并进行了算例的数值模拟验证研究。
本书中的研究工作先后得到了国家自然科学基金项目(５１００８１０２，５１１０８１３２，５１３０８１５６，５２０７８１６４)、黑龙江省自然科学基金项目(E２０１４３１，LH２０１９E０４９)和山东省住房和城乡建设厅科技项目(２０１９ k４１)等的资助；研究生刘佳锋、吴志文、马小龙、商贺嵩、夏梁钟、杨婷婷、李朝、刘文等同学参加了部分研究工作，张振浩、施雪晴、韩仲禹同学协助进行了书稿部分插图的绘制和文字整理工作。长期以来课题组的相关研究工作得到了哈尔滨工业大学盛洪飞教授、美国路易斯安那州立大学蔡春声教授、北京工业大学陈彦江教授的帮助和支持，在此一并表示衷心的感谢。
由于笔者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请各位读者批评指正。

第１章绪论………………………………………………………………………… １
１.１汽车与桥梁耦合振动概述……………………………………………… １
１.２汽车与桥梁耦合振动研究现状………………………………………… ３
１.２.１车桥耦合振动分析理论与数值仿真研究现状…………………………… ５
１.２.２车桥耦合振动应用研究………………………………………………… ９
１.３汽车与桥梁耦合振动研究展望………………………………………… １３
参考文献……………………………………………………………………… １４
第２章汽车与桥梁动力相互作用分析方法…………………………………… １９
２.１汽车动力分析模型……………………………………………………… １９
２.１.１汽车类型…………………………………………………………… １９
２.１.２车辆分析模型………………………………………………………… ２０
２.１.３典型车型运动方程推导……………………………………………… ２３
２.１.４多车运动方程………………………………………………………… ４１
２.２桥梁动力分析模型……………………………………………………… ４２
２.２.１桥梁分析模型………………………………………………………… ４２
２.２.２桥梁运动方程的建立………………………………………………… ４３
２.３桥面不平度……………………………………………………………… ４４
２.３.１桥面不平顺的概念…………………………………………………… ４４
２.３.２随机桥面不平度的表示方法…………………………………………… ４４
２.３.３桥面不平度的数值模拟……………………………………………… ４７
２.４汽车与桥梁耦合振动分析模型………………………………………… ４８
２.４.１车桥耦合运动方程的建立和求解……………………………………… ４８
２.４.２车桥耦合振动响应的后处理方法……………………………………… ５３
２.５车桥振动分析程序及试验验证………………………………………… ５３
２.５.１车桥振动分析程序简介……………………………………………… ５３
２.５.２试验桥梁概况………………………………………………………… ５５
２.５.３桥梁现场动力试验…………………………………………………… ５７
２.５.４车桥振动分析模型…………………………………………………… ５７
２.５.５程序验证…………………………………………………………… ５９
参考文献……………………………………………………………………… ６１
第３章移动汽车作用下桥梁动力性能的分析与评价………………………… ６３
３.１桥梁车载动力性能的评价标准………………………………………… ６３
３.１.１汽车对桥梁的动力冲击系数…………………………………………… ６３
３.１.２行车舒适性评价指标与方法…………………………………………… ６４
３.１.３行人振动舒适性评价标准…………………………………………… ６７
３.２工程概况与分析模型的建立…………………………………………… ６７
３.２.１工程概况…………………………………………………………… ６７
３.２.２车桥振动分析模型…………………………………………………… ６９
３.３桥梁动力试验及结构性能评价………………………………………… ７１
３.３.１动力试验…………………………………………………………… ７１
３.３.２桥梁动力参数识别及性能评价………………………………………… ７２
３.４车桥振动分析模型验证………………………………………………… ７５
３.４.１桥梁有限元模型修正………………………………………………… ７５
３.４.２车桥耦合振动分析程序的验证………………………………………… ７６
３.５基于数值分析的桥梁车载动力性能分析与评价……………………… ７７
３.５.１移动车辆对桥梁的冲击效应分析……………………………………… ７７
３.５.２振动舒适性评价……………………………………………………… ８０
参考文献……………………………………………………………………… ８４
第４章特殊条件下汽车与桥梁动力相互作用分析方法……………………… ８５
４.１基于维度时变原理的随机车流与桥梁耦合振动分析方法…………… ８５
４.１.１研究背景…………………………………………………………… ８５
４.１.２随机车流模拟方法…………………………………………………… ８６
４.１.３车桥耦合振动分析原理……………………………………………… ８６
４.１.４分析流程与关键步骤处理…………………………………………… ８７
４.１.５方法实现过程算例…………………………………………………… ８９
４.１.６工程实例分析………………………………………………………… ９２
４.１.７结论………………………………………………………………… ９６
４.２曲线梁桥车桥振动分析方法…………………………………………… ９６
４.２.１研究背景…………………………………………………………… ９６
４.２.２曲线梁桥车桥振动分析模型…………………………………………… ９７
４.２.３工程实例分析……………………………………………………… １０２
４.２.４结论………………………………………………………………… １１４
４.３汽车制动激励下桥梁动力响应分析方法…………………………… １１５
４.３.１研究背景…………………………………………………………… １１５
４.３.２考虑车辆制动的车桥耦合振动分析模型……………………………… １１５
４.３.３考虑汽车制动激励的车桥耦合振动分析程序的试验验证……………… １１８
４.３.４汽车制动作用下桥梁下部结构动力响应特征分析…………………… １２１
４.３.５结论………………………………………………………………… １３２
参考文献……………………………………………………………………… １３３
第５章考虑车桥振动的装配式梁桥横向联系疲劳评估……………………… １３５
５.１面向疲劳评估的移动汽车下桥梁动力行为分析…………………… １３５
５.１.１典型汽车荷载……………………………………………………… １３５
５.１.２桥例及其有限元模型的建立………………………………………… １３７
５.１.３横向联系结构疲劳热点位置分析…………………………………… １４１
５.１.４典型重车下横隔梁动力放大系数分析………………………………… １４４
５.２考虑多因素影响的既有混凝土梁桥横隔梁的疲劳损伤评估……… １４９
５.２.１简述………………………………………………………………… １４９
５.２.２疲劳车辆荷载谱…………………………………………………… １５０
５.２.３横隔梁热点部位应力谱计算………………………………………… １５５
５.２.４疲劳损伤评估理论…………………………………………………… １５８
５.２.５随机车载下的横隔梁疲劳损伤评定…………………………………… １６３
５.２.６考虑桥面不平度状况退化影响的横隔梁疲劳损伤分析………………… １６７
５.２.７多向应力效应对疲劳损伤的影响分析………………………………… １７１
５.２.８结论………………………………………………………………… １７２
５.３车辆超载对横隔梁疲劳损伤的影响………………………………… １７３
５.３.１车辆超限超载评定依据……………………………………………… １７３
５.３.２超载运营实测数据…………………………………………………… １７５
５.３.３车辆超载对横隔梁连接钢板疲劳损伤的影响………………………… １７６
５.３.４超载条件下横隔梁疲劳损伤的影响参数……………………………… １８１
５.３.５在役桥梁的疲劳寿命评估及运营管理建议…………………………… １８３
５.３.６主要结论…………………………………………………………… １８４
参考文献……………………………………………………………………… １８５
第６章风车联合作用下斜拉桥拉索疲劳可靠性分析………………………… １８７
６.１风车联合作用下大跨桥梁动力响应的叠加分析方法……………… １８７
６.１.１桥例概况与有限元建模……………………………………………… １８８
６.１.２风车桥系统的动力分析模型……………………………………… １９２
６.１.３风车联合作用叠加分析方法的原理和理论框架……………………… １９７
６.１.４风车联合作用下结构响应叠加分析方法的适用性…………………… ２０９
６.２考虑双重随机性的风车联合作用下斜拉桥拉索疲劳可靠性分析… ２１５
６.２.１随机交通荷载模拟…………………………………………………… ２１５
６.２.２风荷载概率模型…………………………………………………… ２２０
６.２.３运营条件下桥梁结构应力循环块的计算流程………………………… ２２２
６.２.４斜拉索疲劳可靠性分析方法………………………………………… ２２３
６.２.５算例分析…………………………………………………………… ２２５
６.３腐蚀对运营斜拉桥拉索疲劳可靠性的影响………………………… ２３２
６.３.１考虑腐蚀影响的斜拉索疲劳抗力模型………………………………… ２３３
６.３.２考虑腐蚀影响的斜拉索疲劳可靠性分析方法………………………… ２３６
６.３.３算例分析…………………………………………………………… ２３９
参考文献……………………………………………………………………… ２４４
第７章基于车桥耦合振动的桥梁下部结构损伤识别研究…………………… ２４７
７.１概述…………………………………………………………………… ２４７
７.１.１研究背景…………………………………………………………… ２４７
７.１.２研究意义…………………………………………………………… ２４８
７.２桥梁下部结构损伤对移动车辆下桥梁动力响应的影响…………… ２４８
７.２.１支座损伤的影响…………………………………………………… ２４９
７.２.２桥墩损伤的影响…………………………………………………… ２５０
７.２.３基础冲刷的影响…………………………………………………… ２５２
７.３基于小波包能量的结构损伤识别理论……………………………… ２５３
７.３.１小波变换…………………………………………………………… ２５４
７.３.２小波包的基本原理…………………………………………………… ２５７
７.３.３小波包子空间分解…………………………………………………… ２５８
７.３.４小波包节点能量…………………………………………………… ２６１
７.３.５小波包能量方差变化率指标………………………………………… ２６２
７.３.６小波基函数与小波包分解层的选择…………………………………… ２６３
７.４基于车辆制动与小波包分解的桥梁下部结构损伤识别方法……… ２６４
７.５基于WPEVVR的损伤识别方法数值分析………………………… ２６５
７.５.１动力响应数据采集位置……………………………………………… ２６５
７.５.２支座损伤识别……………………………………………………… ２６５
７.５.３桥墩损伤识别……………………………………………………… ２６７
７.５.４基础冲刷识别……………………………………………………… ２６９
７.６多种因素对下部结构损伤识别的影响……………………………… ２７１
７.６.１桥面不平度的影响…………………………………………………… ２７２
７.６.２汽车制动位置的影响………………………………………………… ２７３
７.６.３车辆初始速度的影响………………………………………………… ２７５
７.６.４车重的影响………………………………………………………… ２７６
７.７损伤识别方法的抗噪性能分析……………………………………… ２７７
７.８基于损伤模式反演的基础冲刷深度诊断方法……………………… ２７８
７.８.１多桥墩基础冲刷对损伤识别指标的耦合影响………………………… ２７９
７.８.２基于损伤模式反演分析的基础冲刷深度诊断………………………… ２８０
７.８.３反演分析样本数对识别结果的影响…………………………………… ２８３
７.９结论…………………………………………………………………… ２８６
参考文献……………………………………………………………………… ２８６

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