CN105260562B - 计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法及系统，涉及车辆动力的自动加载领域。该方法包括以下步骤：采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTGD60‑2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m；确定最不利车辆动态编组方式，实现车辆荷载从静力向动力形式的转化、公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。本发明能实现公路桥梁阻尼器响应的车辆非线性动力计算，简化操作过程，有效提高生产效率。

Description

计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆动力的自动加载领域，具体是涉及一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法及系统。

背景技术

当前，为了解决大地震作用下大跨度桥梁梁端纵向位移大、结构受力大的问题，桥梁工程师们引进了原军工用途的产品—粘滞阻尼器，以满足结构抗震性能要求。粘滞阻尼器在大跨度桥梁上的应用，一直都局限于结构抗震需要。但是，随着近几年国内多座大跨度斜拉桥、悬索桥的建成通车，特别是大型悬索桥运营取得经验，桥梁工程师们认识到：有必要通过采用粘滞阻尼器，抑制日常行车条件下桥梁主梁的梁端纵向位移，以提高桥梁结构使用功能、同时改善桥梁结构(如支座、伸缩缝等部件)的工作条件，“安装有粘滞阻尼器在车辆荷载作用下的桥梁动力响应问题”成为长大跨度桥梁建设中亟待解决的工程难题。

由于粘滞阻尼器具有非线性特性，此时安装有阻尼器的桥梁结构是一个非线性系统，不支持静力分析常采用的线性叠加原理，故需要精确模拟车辆上桥的动力加载全过程。但是，采用已有的有限元软件直接计算此类问题，存在以下技术难题：

(1)现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中的公路1级采用“均布荷载+单个集中力”的方式，该方式中的均布荷载大小为10.5kN/m，使用均布荷载只能进行有限元静力分析，无法进行动力荷载计算。

(2)公路桥梁与铁路桥梁不同之处在于公路桥梁汽车的车辆编组不是固定形式的静态编组方式，而公路桥梁最不利车辆动态编组方式对于计算公路桥梁结构最大力学响应是个极为重要的问题。但是，目前已有的有限元软件只能确定最不利车辆静态编组方式，无法确定最不利车辆动态编组方式。

(3)公路桥梁车辆荷载在静力计算时只需要力的位置及确定的大小值，而动力分析时不仅需要位置及大小，还需要知道荷载随时间变化的函数，且车辆动力荷载还具有“瞬间作用后随即消失”，以及“车队中每个车轮到达相同节点时间不同”等两个特殊性问题，因此车辆荷载的模拟形式是动力计算的最关键问题。但是，有限元软件无法实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

(4)车辆上桥的计算过程是一个异常繁琐、且容易出错的过程，利用有限元软件的数据处理工作量巨大，如按照有限元软件能够识别的数据格式，需要桥梁工程师逐行手工完成这一过程，这样就会给桥梁工程师带来无法承受的工作量。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法及系统，采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，基于静力影响线分析的动态规划法原理，确定最不利车辆动态编组方式，能够实现车辆荷载从静力向动力形式的转化、公路桥梁阻尼器响应的车辆非线性动力计算，避免人工计算的繁琐过程、以及程序内部固定格式代码修改极易出错等问题，简化操作过程，有效提高生产效率。

本发明提供一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，包括以下步骤：

A、采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m；

B、将集中力荷载方式的数据输入有限元软件，基于静力影响线分析的动态规划法原理，实现最不利车辆静态编组：利用有限元软件，计算得到最不利车辆静态编组，将该静态编组作为整个车队中各部分车队的长度L_i(i＝1...n)、各部分车队之间的车轴间距D_maxi(i＝1...n)的初始计算值，其中，i、n均为正整数，“最不利”是指使结构的位移或内力响应达到最大值；

然后通过正、负编组交替运行的方式，实现最不利车辆动态编组：根据影响线的形状确定两个车辆静态编组，分别加载于影响线的正号区域和负号区域，并分别记为“正号编组”和“负号编组”；找到“正号编组”和“负号编组”的最不利位置，并选择两个车辆静态编组中距离起点最近的编组上桥运行至最不利位置时，然后让另一车辆编组继续运行到车辆出桥，这种方式即为最不利车辆动态编组；

此时车辆集中力荷载还是大小不变、且与时间无关的静力形式；

C、利用微软基础类分析MFC编制车辆荷载转化分析程序VLTAP，VLTAP程序利用有限元软件自带的Midas Civil软件的文本编辑MCT命令流窗口，依据节点数据信息和车队车辆编组信息，自动形成“非对称三角形脉冲时程荷载函数”和“节点动力荷载加载”的命令流数据，然后，利用有限元软件的导入命令，VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程，实现车辆荷载从静力向动力形式的转化；

D、利用有限元软件的麦克斯韦模型，来模拟公路桥梁阻尼器的力学行为；并利用有限元软件的非线性分析功能，实现公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。

在上述技术方案的基础上，步骤C中，所述VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程如下：

车辆的车轮集中力荷载在单元节点作用时，其本身是一个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，忽略汽车本身的弹簧刚度与阻尼大小，将其近似模拟成最大值为车轮轴重、且随时间变化的非对称三角形脉冲荷载，非对称三角形脉冲荷载峰值点对应的时间为t₁，非对称三角形脉冲荷载结束点对应的时间为t₂，假设车辆匀速过桥，车辆的行驶速度为v，车辆行驶到第i个单元的单元长度为S_i，车辆行驶到第i+1个单元的单元长度为S_i+1，时间t₁、t₂由车辆的行驶速度v和模型单元长度来决定，t₁＝S_i/v，t₂＝S_i/v+S_i+1/v，车队车辆编组中的相同轴重荷载均对应一组非对称的三角形脉冲荷载；

VLTAP程序自动计算每个车轮到达单元每个节点的时刻：

根据节点坐标来计算第i单元的单元长度S_i、第i+1单元的单元长度S_i+1：S_i＝x_i+1-x_i，x_i、x_i+1分别是第i单元的左节点、右节点的坐标值；

计算车队中第1个车轮到达第i单元左节点的时刻t_1i：

N为单元总数，将时间初始参数t₀、长度初始参数S₀均设置为零：t₀＝0,S₀＝0；

计算车队中第n个车轮到达第i单元左节点的时刻t_ni：

其中，D_i为第i车辆的前后车轴距大小；

计算车辆过桥总时间t_总：t_总＝(L_桥梁+L_车队-d_l)/v，其中，L_桥梁为桥梁总长，L_车队为车队总长，d_l为剩余距离，满足下式：

MOD为取余函数；

计算大跨度桥梁的纵向多车道加载的荷载折减系数η：

η＝η₁×η₂×η₃×m₀，其中，η₁为纵向折减系数，η₂为横向偏载系数，m₀为车道总数，η₃为多车道折减系数；

最终实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

在上述技术方案的基础上，步骤D中，在所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，分析方法采用非线性数值积分法。

在上述技术方案的基础上，步骤D中，在所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，计算的时间为车辆过桥总时间t_总，时间步长为0.001s。

在上述技术方案的基础上，步骤D中，在所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，阻尼计算方法采用瑞利阻尼法。

本发明还提供一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，该系统包括集中力荷载方式实现单元、最不利车辆动态编组实现单元、静力向动力转化单元、阻尼器响应非线性动力计算单元；

所述集中力荷载方式实现单元用于：采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m；

所述最不利车辆动态编组实现单元用于：根据输入有限元软件的集中力荷载方式的数据，基于静力影响线分析的动态规划法原理，实现最不利车辆静态编组：利用有限元软件，计算得到最不利车辆静态编组，将该静态编组作为整个车队中各部分车队的长度L_i(i＝1...n)、各部分车队之间的车轴间距D_maxi(i＝1...n)的初始计算值，其中，i、n均为正整数，“最不利”是指使结构的位移或内力响应达到最大值；

然后通过正、负编组交替运行的方式，实现最不利车辆动态编组：根据影响线的形状确定两个车辆静态编组，分别加载于影响线的正号区域和负号区域，并分别记为“正号编组”和“负号编组”；找到“正号编组”和“负号编组”的最不利位置，并选择两个车辆静态编组中距离起点最近的编组上桥运行至最不利位置时，然后让另一车辆编组继续运行到车辆出桥，这种方式即为最不利车辆动态编组；

此时车辆集中力荷载还是大小不变、且与时间无关的静力形式；

所述静力向动力转化单元用于：利用微软基础类分析MFC编制车辆荷载转化分析程序VLTAP，VLTAP程序利用有限元软件自带的Midas Civil软件的文本编辑MCT命令流窗口，依据节点数据信息和车队车辆编组信息，自动形成“非对称三角形脉冲时程荷载函数”和“节点动力荷载加载”的命令流数据，然后，利用有限元软件的导入命令，VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程；

所述阻尼器响应非线性动力计算单元用于：利用有限元软件的麦克斯韦模型，来模拟公路桥梁阻尼器的力学行为；并利用有限元软件的非线性分析功能，实现公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。

在上述技术方案的基础上，所述VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程如下：

车辆的车轮集中力荷载在单元节点作用时，其本身是一个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，忽略汽车本身的弹簧刚度与阻尼大小，将其近似模拟成最大值为车轮轴重、且随时间变化的非对称三角形脉冲荷载，非对称三角形脉冲荷载峰值点对应的时间为t₁，非对称三角形脉冲荷载结束点对应的时间为t₂，假设车辆匀速过桥，车辆的行驶速度为v，车辆行驶到第i个单元的单元长度为S_i，车辆行驶到第i+1个单元的单元长度为S_i+1，时间t₁、t₂由车辆的行驶速度v和模型单元长度来决定，t₁＝S_i/v，t₂＝S_i/v+S_i+1/v，车队车辆编组中的相同轴重荷载均对应一组非对称的三角形脉冲荷载；

VLTAP程序自动计算每个车轮到达单元每个节点的时刻：

根据节点坐标来计算第i单元的单元长度S_i、第i+1单元的单元长度S_i+1：S_i＝x_i+1-x_i，x_i、x_i+1分别是第i单元的左节点、右节点的坐标值；

计算车队中第1个车轮到达第i单元左节点的时刻t_1i：

N为单元总数，将时间初始参数t₀、长度初始参数S₀均设置为零：t₀＝0,S₀＝0；

计算车队中第n个车轮到达第i单元左节点的时刻t_ni：

其中，D_i为第i车辆的前后车轴距大小；

计算车辆过桥总时间t_总：t_总＝(L_桥梁+L_车队-d_l)/v，其中，L_桥梁为桥梁总长，L_车队为车队总长，d_l为剩余距离，满足下式：

MOD为取余函数；

计算大跨度桥梁的纵向多车道加载的荷载折减系数η：

η＝η₁×η₂×η₃×m₀，其中，η₁为纵向折减系数，η₂为横向偏载系数，m₀为车道总数，η₃为多车道折减系数；

最终实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

在上述技术方案的基础上，所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，分析方法采用非线性数值积分法。

在上述技术方案的基础上，所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，计算分析时间为车辆过桥总时间t_总，时间步长为0.001s。

在上述技术方案的基础上，所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，阻尼计算方法采用瑞利阻尼法。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明找到了车辆动力荷载的等效依据，采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，使得桥梁车辆荷载的等效模拟的可靠性得到增强，在桥梁设计中多次进行试验，均成功实现车辆动力荷载的计算。

(2)本发明首先通过基于动态规划原理的影响线分析法，确定两个车辆静态编组方式，然后让这两个车辆编组在桥上交替运行从而实现车辆动态编组，既能使计算得到简化，又保障了计算的可靠性。

(3)本发明的推导过程建立在严格的数学基础上，计算的准确性和精度得到充分保障，能够实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

(4)本发明利用MFC(Microsoft Foundation Classes，微软基础类分析)编制VLTAP(Vehicle Load Transfer Analysis Program，车辆荷载转化分析程序)，VLTAP程序自动完成计算过程，能够避免人工计算的繁琐过程、以及程序内部固定格式代码修改极易出错等问题，明显简化操作过程，能够有效提高生产效率，解决有限元软件的数据处理工作量大的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中车辆荷载大小及车辆编组的示意图。

图2是本发明实施例中车辆车轮的非对称三角形脉冲荷载的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，包括以下步骤：

A、采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，参见图1所示，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m。

《公路桥涵设计通用规范》在不断发展变化，按照本领域技术人员的常规思维方式，普通桥梁工程师一般会按照最新的规范来设计施工。现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中公路1级采用的均布荷载大小为10.5kN/m，使用均布荷载只能进行有限元静力分析，无法进行动力荷载的计算。本申请的发明人突破常规，逆向思考，受26年前的《公路桥梁设计通用规范》(JTJ 021-89)中“汽车-20级”的启发，首次创新提出：采用“集中力荷载方式”替代现有规范中的“均布荷载方式”，并且在桥梁设计中多次进行试验，均成功实现车辆动力荷载的计算。

B、将集中力荷载方式的数据输入有限元软件，基于静力影响线分析的动态规划法原理，实现最不利车辆静态编组：利用有限元软件，计算得到最不利车辆静态编组，将该静态编组作为整个车队中各部分车队的长度L_i(i＝1...n)、各部分车队之间的车轴间距D_maxi(i＝1...n)的初始计算值，其中，i、n均为正整数，“最不利”是指使结构的位移或内力响应达到最大值；

然后通过正、负编组交替运行的方式，实现最不利车辆动态编组：根据影响线的形状确定两个车辆静态编组，分别加载于影响线的正号区域和负号区域，并分别记为“正号编组”和“负号编组”；找到“正号编组”和“负号编组”的最不利位置，并选择两个车辆静态编组中距离起点最近的编组上桥运行至最不利位置时，然后让另一车辆编组继续运行到车辆出桥，这种方式即为最不利车辆动态编组；

此时车辆集中力荷载还是大小不变、且与时间无关的静力形式。

C、步骤C主要解决静力向动力形式的转化问题。

静力向动力形式的转化问题放在有限元软件中实现时，存在数据处理工作量巨大的难题，为了解决这一难题，本发明利用MFC(Microsoft Foundation Classes，微软基础类分析)编制VLTAP(Vehicle Load Transfer Analysis Program，车辆荷载转化分析程序)，VLTAP程序利用有限元软件自带的MCT(Midas Civil Text，Midas Civil软件的文本编辑)命令流窗口，依据节点数据信息和车队车辆编组信息，首先自动形成“非对称三角形脉冲时程荷载函数”和“节点动力荷载加载”的命令流数据，然后，利用有限元软件的导入命令，VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程，实现车辆荷载从静力向动力形式的转化，从而避免了人工计算的繁琐过程、以及有限元软件内部固定格式代码修改极易出错等问题，极大地简化了操作过程，有效地提高了生产效率。

这里需要说明的是：VLTAP是申请人自编的程序，而有限元软件属于已有商业化程序，本发明需要两者的有机结合方能实现“计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载”这一功能。

VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程如下：

车辆的车轮集中力荷载在单元节点作用时，其本身是一个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，为了实现动力简化计算，忽略汽车本身的弹簧刚度与阻尼大小，将其近似模拟成最大值为车轮轴重、且随时间变化的非对称三角形脉冲荷载，参见图2所示，非对称三角形脉冲荷载峰值点对应的时间为t₁，非对称三角形脉冲荷载结束点对应的时间为t₂，假设车辆匀速过桥，车辆的行驶速度为v，车辆行驶到第i个单元的单元长度为S_i，车辆行驶到第i+1个单元的单元长度为S_i+1，时间t₁、t₂由车辆的行驶速度v和模型单元长度来决定，t₁＝S_i/v，t₂＝S_i/v+S_i+1/v，车队车辆编组中的相同轴重荷载均对应一组非对称的三角形脉冲荷载。

VLTAP程序自动计算每个车轮到达单元每个节点的时刻：

根据节点坐标来计算第i单元的单元长度S_i、第i+1单元的单元长度S_i+1：S_i＝x_i+1-x_i，x_i、x_i+1分别是第i单元的左节点、右节点的坐标值；

计算车队中第1个车轮到达第i单元左节点的时刻t_1i：

N为单元总数，将时间初始参数t₀、长度初始参数S₀均设置为零：t₀＝0,S₀＝0；

计算车队中第n个车轮到达第i单元左节点的时刻t_ni：

其中，D_i为第i车辆的前后车轴距大小；

计算车辆过桥总时间t_总：t_总＝(L_桥梁+L_车队-d_l)/v，其中，L_桥梁为桥梁总长，L_车队为车队总长，d_l为剩余距离，满足下式：

MOD为取余函数；

有限元软件计算时，常以单梁形式建模以简化分析，这样只能加载一个车道荷载，而实际桥梁存在多个车道加载问题，故需要计算大跨度桥梁的纵向多车道加载的荷载折减系数η：

η＝η₁×η₂×η₃×m₀，其中，η₁为纵向折减系数，η₂为横向偏载系数，m₀为车道总数，η₃为多车道折减系数，这些系数可参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)确定。

这样便可实现车队从静力向动力形式的转化，即实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

D、利用有限元软件的Maxwell模型(麦克斯韦模型)，来模拟公路桥梁阻尼器的力学行为，并利用有限元软件的非线性分析功能，实现公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。在阻尼器响应的非线性动力计算过程中，分析方法采用非线性数值积分法，计算的时间为前述的车辆过桥总时间t_总，时间步长为0.001s，阻尼计算方法采用瑞利阻尼法。

本发明实施例还提供一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，包括集中力荷载方式实现单元、最不利车辆动态编组实现单元、静力向动力转化单元、阻尼器响应非线性动力计算单元。

集中力荷载方式实现单元用于：采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，参见图1所示，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m。

最不利车辆动态编组实现单元用于：根据输入有限元软件的集中力荷载方式的数据，基于静力影响线分析的动态规划法原理，实现最不利车辆静态编组：利用有限元软件，计算得到最不利车辆静态编组，将该静态编组作为整个车队中各部分车队的长度L_i(i＝1...n)、各部分车队之间的车轴间距D_maxi(i＝1...n)的初始计算值，其中，i、n均为正整数，“最不利”是指使结构的位移或内力响应达到最大值；

然后通过正、负编组交替运行的方式，实现最不利车辆动态编组：根据影响线的形状确定两个车辆静态编组，分别加载于影响线的正号区域和负号区域，并分别记为“正号编组”和“负号编组”；找到“正号编组”和“负号编组”的最不利位置，并选择两个车辆静态编组中距离起点最近的编组上桥运行至最不利位置时，然后让另一车辆编组继续运行到车辆出桥，这种方式即为最不利车辆动态编组；

此时车辆集中力荷载还是大小不变、且与时间无关的静力形式。

静力向动力转化单元用于：利用MFC(Microsoft Foundation Classes，微软基础类分析)编制VLTAP(Vehicle Load Transfer Analysis Program，车辆荷载转化分析程序)，VLTAP程序利用有限元软件自带的MCT(Midas Civil Text，Midas Civil软件的文本编辑)命令流窗口，依据节点数据信息和车队车辆编组信息，自动形成“非对称三角形脉冲时程荷载函数”和“节点动力荷载加载”的命令流数据，然后，利用有限元软件的导入命令，VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程，实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程如下：

车辆的车轮集中力荷载在单元节点作用时，其本身是一个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，为了实现动力简化计算，忽略汽车本身的弹簧刚度与阻尼大小，将其近似模拟成最大值为车轮轴重、且随时间变化的非对称三角形脉冲荷载，参见图2所示，非对称三角形脉冲荷载峰值点对应的时间为t₁，非对称三角形脉冲荷载结束点对应的时间为t₂，假设车辆匀速过桥，车辆的行驶速度为v，车辆行驶到第i个单元的单元长度为S_i，车辆行驶到第i+1个单元的单元长度为S_i+1，时间t₁、t₂由车辆的行驶速度v和模型单元长度来决定，t₁＝S_i/v，t₂＝S_i/v+S_i+1/v，车队车辆编组中的相同轴重荷载均对应一组非对称的三角形脉冲荷载。

VLTAP程序自动计算每个车轮到达单元每个节点的时刻：

根据节点坐标来计算第i单元的单元长度S_i、第i+1单元的单元长度S_i+1：S_i＝x_i+1-x_i，x_i、x_i+1分别是第i单元的左节点、右节点的坐标值；

计算车队中第1个车轮到达第i单元左节点的时刻t_1i：

N为单元总数，将时间初始参数t₀、长度初始参数S₀均设置为零：t₀＝0,S₀＝0；

计算车队中第n个车轮到达第i单元左节点的时刻t_ni：

其中，D_i为第i车辆的前后车轴距大小；

计算车辆过桥总时间t_总：t_总＝(L_桥梁+L_车队-d_l)/v，其中，L_桥梁为桥梁总长，L_车队为车队总长，d_l为剩余距离，满足下式：

MOD为取余函数；

有限元软件计算时，常以单梁形式建模以简化分析，这样只能加载一个车道荷载，而实际桥梁存在多个车道加载问题，故需要计算大跨度桥梁的纵向多车道加载的荷载折减系数η：

η＝η₁×η₂×η₃×m₀，其中，η₁为纵向折减系数，η₂为横向偏载系数，m₀为车道总数，η₃为多车道折减系数，这些系数可参考《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)确定。

这样便可实现车队从静力向动力形式的转化，即实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

阻尼器响应非线性动力计算单元用于：利用有限元软件的Maxwell模型(麦克斯韦模型)来模拟公路桥梁阻尼器的力学行为，并利用有限元软件的非线性分析功能，实现公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。在阻尼器响应的非线性动力计算过程中，分析方法采用非线性数值积分法，计算分析时间为前述的车辆过桥总时间t_总，时间步长为0.001s，阻尼计算方法采用瑞利阻尼法。

用户使用VLTAP程序时，只需提供节点号码、节点坐标、车辆运行速度、车辆的编组方式等基本信息即可；VLTAP程序对于桥梁设计方案的反复修改、方案优化等问题特别有效，操作简单快捷，应用前景广阔。

桥梁工程师们实际应用VLTAP程序时的具体操作过程如下：

(1)建立常规的桥梁有限元数值模型，模型中包括节点、单元、边界条件；

(2)确定车辆加载对应的桥面节点号码以及相应的节点坐标，将节点号码及坐标写入一个名为“data.txt”的文本文件中；

(3)打开VLTAP程序，在程序界面中输入车辆最不利编组的相关信息：“车队数量”、“车队间距Dmaxi”、“车队长Li”、“节点荷载工况名称”、“荷载折减系数”、“车速”、“双轴轴重P1/P2”、、“车辆的前后轮距D1”、“前后车距D2”；

(4)点击VLTAP程序的“计算”按钮，程序会自动生成一个名称为“用MCT命令窗口打开.mct”的数据文件；

(5)打开有限元软件的“mct命令窗口”，点击“打开”菜单，导入上述的“用MCT命令窗口打开.mct”的文件即可；

(6)VLTAP程序自动生成计算所需要的“时程荷载函数”以及“节点动力荷载”等信息。

(7)利用有限元软件的Maxwell模型(麦克斯韦模型)来模拟阻尼器的力学行为，并利用非线性分析功能，即可实现公路桥梁阻尼器响应的车辆非线性动力计算。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m；

B、将集中力荷载方式的数据输入有限元软件，基于静力影响线分析的动态规划法原理，实现最不利车辆静态编组：利用有限元软件，计算得到最不利车辆静态编组，将该静态编组作为整个车队中各部分车队的长度L_i(i＝1...n)、各部分车队之间的车轴间距D_maxi(i＝1...n)的初始计算值，其中，i、n均为正整数，“最不利”是指使结构的位移或内力响应达到最大值；

然后通过正、负编组交替运行的方式，实现最不利车辆动态编组：根据影响线的形状确定两个车辆静态编组，分别加载于影响线的正号区域和负号区域，并分别记为“正号编组”和“负号编组”；找到“正号编组”和“负号编组”的最不利位置，并选择两个车辆静态编组中距离起点最近的编组上桥运行至最不利位置时，然后让另一车辆编组继续运行到车辆出桥，这种方式即为最不利车辆动态编组；

此时车辆集中力荷载还是大小不变、且与时间无关的静力形式；

C、利用微软基础类分析MFC编制车辆荷载转化分析程序VLTAP，VLTAP程序利用有限元软件自带的Midas Civil软件的文本编辑MCT命令流窗口，依据节点数据信息和车队车辆编组信息，自动形成“非对称三角形脉冲时程荷载函数”和“节点动力荷载加载”的命令流数据，然后，利用有限元软件的导入命令，VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程，实现车辆荷载从静力向动力形式的转化；

D、利用有限元软件的麦克斯韦模型，来模拟公路桥梁阻尼器的力学行为；并利用有限元软件的非线性分析功能，实现公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。

2.如权利要求1所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，其特征在于：步骤C中，所述VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程如下：

车辆的车轮集中力荷载在单元节点作用时，其本身是一个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，忽略汽车本身的弹簧刚度与阻尼大小，将其近似模拟成最大值为车轮轴重、且随时间变化的非对称三角形脉冲荷载，非对称三角形脉冲荷载峰值点对应的时间为t₁，非对称三角形脉冲荷载结束点对应的时间为t₂，假设车辆匀速过桥，车辆的行驶速度为v，车辆行驶到第i个单元的单元长度为S_i，车辆行驶到第i+1个单元的单元长度为S_i+1，时间t₁、t₂由车辆的行驶速度v和模型单元长度来决定，t₁＝S_i/v，t₂＝S_i/v+S_i+1/v，车队车辆编组中的相同轴重荷载均对应一组非对称的三角形脉冲荷载；

VLTAP程序自动计算每个车轮到达单元每个节点的时刻：

根据节点坐标来计算第i单元的单元长度S_i、第i+1单元的单元长度S_i+1：S_i＝x_i+1-x_i，x_i、x_i+1分别是第i单元的左节点、右节点的坐标值；

计算车队中第1个车轮到达第i单元左节点的时刻t_1i：

N为单元总数，将时间初始参数t₀、长度初始参数S₀均设置为零：t₀＝0,S₀＝0；

计算车队中第n个车轮到达第i单元左节点的时刻t_ni：

其中，D_i为第i车辆的前后车轴距大小；

计算车辆过桥总时间t_总：t_总＝(L_桥梁+L_车队-d_l)/v，其中，L_桥梁为桥梁总长，L_车队为车队总长，d_l为剩余距离，满足下式：MOD为取余函数；

计算大跨度桥梁的纵向多车道加载的荷载折减系数η：

η＝η₁×η₂×η₃×m₀，其中，η₁为纵向折减系数，η₂为横向偏载系数，m₀为车道总数，η₃为多车道折减系数；

最终实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

3.如权利要求1所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，其特征在于：步骤D中，在所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，分析方法采用非线性数值积分法。

4.如权利要求1所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，其特征在于：步骤D中，在所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，计算的时间为车辆过桥总时间t_总，时间步长为0.001s。

5.如权利要求1所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载方法，其特征在于：步骤D中，在所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，阻尼计算方法采用瑞利阻尼法。

6.一种计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，其特征在于：该系统包括集中力荷载方式实现单元、最不利车辆动态编组实现单元、静力向动力转化单元、阻尼器响应非线性动力计算单元；

所述集中力荷载方式实现单元用于：采用集中力荷载方式，替代现行《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004版本中公路1级采用的均布荷载方式，该集中力荷载方式的数据为：单个车辆荷载重为200kN，车辆的前轴P1＝70kN，后轴P2＝130kN；车辆的前后轮距D1＝4m，前后车距D2≥15m；

所述最不利车辆动态编组实现单元用于：根据输入有限元软件的集中力荷载方式的数据，基于静力影响线分析的动态规划法原理，实现最不利车辆静态编组：利用有限元软件，计算得到最不利车辆静态编组，将该静态编组作为整个车队中各部分车队的长度L_i(i＝1...n)、各部分车队之间的车轴间距D_maxi(i＝1...n)的初始计算值，其中，i、n均为正整数，“最不利”是指使结构的位移或内力响应达到最大值；

然后通过正、负编组交替运行的方式，实现最不利车辆动态编组：根据影响线的形状确定两个车辆静态编组，分别加载于影响线的正号区域和负号区域，并分别记为“正号编组”和“负号编组”；找到“正号编组”和“负号编组”的最不利位置，并选择两个车辆静态编组中距离起点最近的编组上桥运行至最不利位置时，然后让另一车辆编组继续运行到车辆出桥，这种方式即为最不利车辆动态编组；

此时车辆集中力荷载还是大小不变、且与时间无关的静力形式；

所述静力向动力转化单元用于：利用微软基础类分析MFC编制车辆荷载转化分析程序VLTAP，VLTAP程序利用有限元软件自带的Midas Civil软件的文本编辑MCT命令流窗口，依据节点数据信息和车队车辆编组信息，自动形成“非对称三角形脉冲时程荷载函数”和“节点动力荷载加载”的命令流数据，然后，利用有限元软件的导入命令，VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程；

所述阻尼器响应非线性动力计算单元用于：利用有限元软件的麦克斯韦模型，来模拟公路桥梁阻尼器的力学行为；并利用有限元软件的非线性分析功能，实现公路桥梁阻尼器响应的非线性动力计算。

7.如权利要求6所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，其特征在于：所述VLTAP程序自动完成“静力向动力转化”的计算过程如下：

车辆的车轮集中力荷载在单元节点作用时，其本身是一个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，忽略汽车本身的弹簧刚度与阻尼大小，将其近似模拟成最大值为车轮轴重、且随时间变化的非对称三角形脉冲荷载，非对称三角形脉冲荷载峰值点对应的时间为t₁，非对称三角形脉冲荷载结束点对应的时间为t₂，假设车辆匀速过桥，车辆的行驶速度为v，车辆行驶到第i个单元的单元长度为S_i，车辆行驶到第i+1个单元的单元长度为S_i+1，时间t₁、t₂由车辆的行驶速度v和模型单元长度来决定，t₁＝S_i/v，t₂＝S_i/v+S_i+1/v，车队车辆编组中的相同轴重荷载均对应一组非对称的三角形脉冲荷载；

VLTAP程序自动计算每个车轮到达单元每个节点的时刻：

根据节点坐标来计算第i单元的单元长度S_i、第i+1单元的单元长度S_i+1：S_i＝x_i+1-x_i，x_i、x_i+1分别是第i单元的左节点、右节点的坐标值；

计算车队中第1个车轮到达第i单元左节点的时刻t_1i：

N为单元总数，将时间初始参数t₀、长度初始参数S₀均设置为零：t₀＝0,S₀＝0；

计算车队中第n个车轮到达第i单元左节点的时刻t_ni：

其中，D_i为第i车辆的前后车轴距大小；

计算车辆过桥总时间t_总：t_总＝(L_桥梁+L_车队-d_l)/v，其中，L_桥梁为桥梁总长，L_车队为车队总长，d_l为剩余距离，满足下式：MOD为取余函数；

计算大跨度桥梁的纵向多车道加载的荷载折减系数η：

η＝η₁×η₂×η₃×m₀，其中，η₁为纵向折减系数，η₂为横向偏载系数，m₀为车道总数，η₃为多车道折减系数；

最终实现车辆荷载从静力向动力形式的转化。

8.如权利要求6所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，其特征在于：所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，分析方法采用非线性数值积分法。

9.如权利要求6所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，其特征在于：所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，计算分析时间为车辆过桥总时间t_总，时间步长为0.001s。

10.如权利要求6所述的计算公路桥梁阻尼器响应的车辆动力自动加载系统，其特征在于：所述阻尼器响应的非线性动力计算过程中，阻尼计算方法采用瑞利阻尼法。