CN105389458A

CN105389458A - 一种公路随机车流风车桥耦合计算方法

Info

Publication number: CN105389458A
Application number: CN201510660754.4A
Authority: CN
Inventors: 韩万水; 马麟; 武隽; 李彦伟; 肖强; 吴柳杰
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2016-03-09

Abstract

本发明属于建筑和交通桥梁技术领域，具体地说，涉及一种公路随机车流风车桥耦合计算方法。本方法选取具有代表性的路段，采用交通信息采集系统和动态承重设备开展交通荷载调查，依据调查的结果将实际交通荷载中的车型进行分类，分别建立各个车型的动力分析模型，分车型采用不同的原理推导其运动方程，从而形成质量、刚度和阻尼矩阵,针对不同的梁单元分析模型，建立车辆和桥梁系统间的几何及力学耦合关系,编制车桥耦合随机振动分析系统，实现车桥耦合计算程序化，根据实际交通荷载调查，建立每一种典型车型所对应的车辆动力分析模型，形成完整的分析模型库，建立各种车辆的运动方程，从而达到准确计算分析车桥系统动力响应的目的。

Description

一种公路随机车流风车桥耦合计算方法

技术领域

本发明属于建筑和交通桥梁技术领域，具体地说，涉及一种公路随机车流风车桥耦合计算方法。

背景技术

风环境下车桥耦合动力问题是进行桥梁设计时需要着重考虑的一个方面。随着我国经济的快速发展，对交通运输业提出了更多更高的要求，车辆类型和车辆行驶速度的增加，车辆载重量的加大，车流密度的变大，使得车辆在桥梁结构上运行时对桥梁产生的振动作用越来越明显，车桥之间相互影响问题越来越突出。

国内外对风车桥耦合问题研究时采用的分析模型都是由车辆模型和桥梁结构模型组成的多自由度分析系统，通过考虑路面粗糙度和外加激励作用，采用时域或频域法对结果进行求解。在车桥耦合系统中，路面粗糙度和车辆参数是比较重要的影响因素，而在现有的研究中针对路面状况的考虑都不充分，并且现有的公路桥梁车桥耦合车辆动力分析模型相对来说比较单一，覆盖面比较狭窄，完全不能涵盖公路桥梁上行驶的典型车辆。采用这种单一的车辆动力分析模型来分析车辆荷载作用下桥梁结构的动力响应必然会产生比较大的偏差，这样设计建造的桥梁在将来实际交通流作用下的使用性能和安全性将存在很大的问题。

针对上述情况，有必要根据实际交通荷载调查，分别建立每一种典型车型所对应的车辆动力分析模型，形成完整的公路桥梁车辆动力分析模型库。以此来建立各种车辆的运动方程，从而达到准确计算分析车桥系统动力响应的目的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，根据实际交通荷载调查，分别建立每一种典型车型所对应的车辆动力分析模型，形成完整的公路桥梁车辆动力分析模型库。以此来建立各种车辆的运动方程，从而达到准确计算分析车桥系统动力响应的目的。

为了达到上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，具体步骤为：

1)进行典型路段交通荷载调查，选取具有代表性的路段，采用交通信息采集系统和动态承重设备WIM开展交通荷载调查；

2)依据调查的结果将实际交通荷载中的车型进行分类，分别建立各个车型的动力分析模型，按照车型的不同采用不同的原理推导其运动方程，从而形成质量、刚度和阻尼矩阵；

3)针对不同的梁单元分析模型，建立风-汽车-桥梁系统耦合关系系统间的几何及力学耦合关系，在此基础上得出风-汽车-桥梁系统运动方程；

4)建立典型车型库，加入桥面空间路面粗糙度、车道及相向、车型、车辆悬挂系统、车重、横向行驶位置、车速和障碍物位置和尺寸参数进行模拟。

在第1)步典型路段交通荷载调查中，采用动态称重WIM设备、交通信息采用系统、基于线阵CCD图像采集切割处理技术、数据统计分析数据包相结合建立全自动自校核交通荷载采集系统，对国内典型地区的交通荷载信息进行实时监测，采集经过典型路段观察断面的车辆速度、车辆横向行驶位置、行车方向、车型、经过时间、车流量、占有率、车时距、车重信息。

在第2)建立车辆动力分析模型与运动方程时,根据交通荷载调查，将实际交通中的车型分为整体式车型和拖挂式车型两大类,其中整体式车型包括两轴车型、双后轴三轴车型、双前轴三轴车型、四轴车型；拖挂式车型包括三轴拖挂车型、四轴拖挂车型、拖车为两轴车的五轴拖挂车型、拖车为三轴车的五轴拖挂车型、六轴拖挂车型。

在建立整体式车型分析模型时，车体采用5个自由度：浮沉、横移、点头、侧滚及摇头，每个车轮采用2个独立的自由度：横移和竖移；推导整体式车型运动方程时，采用达朗贝尔原理。

在建立拖挂式车型分析模型时，每个车体采用3个自由度：浮沉、点头及侧滚，每个车轮采用1个自由度：竖移；推导拖挂式车型时，采用虚功原理。

在3)步中，在风-汽车-桥梁系统安全性分析中考虑车轮相对于主梁的侧向位移，建立车辆行驶于桥面上时车轮与桥面侧向独立自由度的运动方程。

在3)步中，在风-汽车-桥梁系统安全性分析中考虑车轮相对于主梁的侧向位移，建立车辆行驶于桥面上时车轮与桥面侧向独立自由度的运动方程，其具体步骤为：

1).建立车辆的动力分析模型

将车辆模拟为刚体的组合，刚体之间通过轴质量块，弹性元件和阻尼元件相互连接，用阻尼元件模拟悬挂系统和轮胎的耗能能力；

2).确定车辆悬挂系统，确定阻尼系数

将车辆在不平顺的桥面上模拟运行，通过由弹性元件和减振器组成的弹簧悬挂系统来保证的运行的平稳性，将弹簧阻尼系统布置于车体和车轮之间作为上层或车轮与桥面接触点之间作为下层，在考虑车轮相对于主梁的侧向位移时，上层弹簧阻尼系统由车辆本身属性确定，下层弹簧阻尼系统的确定方法如下：

a.车轮的侧滑力可以由车轮上的竖向力近似表达。

b.而上式可以改为如下形式

式中C_scyi可以视为安装于第i个车轮与桥面之间的侧向粘滞阻尼器的阻尼系数；因此，第i个车轮的侧滑力可以用安装于第i个车轮与桥面之间的具有阻尼系数C_scyi的特殊阻尼器来表示；阻尼系数由车轮竖向接触力确定，因此，在每一时间步内，必须要对C_scyi进行迭代直至C_scyi收敛；

3)选取车辆自由度

将车辆轮胎与桥面之间的侧向位移作为独立自由度；

4)根据达朗贝尔原理或虚功原理建立车辆的运动方程。

本发明的有益效果：

(1)本发明依据交通荷载调查，分别建立了整体式两轴车、三轴车(双后轴)、三轴车(双前轴)、四轴车和拖挂式三轴车、四轴车、五轴车(双前轴)、五轴车(双后轴)、六轴车的分析模型。运用达朗贝尔原理建立了整车车型的运动方程，从而可以得到整车车型的质量、刚度和阻尼矩阵；运用虚功原理推导了拖挂车的质量、刚度、和阻尼矩阵，分别建立每一种典型车型所对应的车辆动力分析模型，形成完整的公路桥梁车辆动力分析模型库。以此来建立各种车辆的运动方程，从而达到准确计算分析车桥系统动力响应的目的。

(2)本发明建立风车桥耦合，考虑实际环境中风力对车桥耦合的影响，建立了一个较为完善的风一汽车一桥梁系统空间耦合振动分析模型，此模型涵盖了三个部分的相互作用，该模型能够综合考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车一桥梁耦合振动、风荷载对车辆的影响、系统的时变特性以及结构非线性和气动非线性的影响等。

(3)本发明可对侧风作用下行驶在振荡桥梁上的车辆安全性进行研究，还可对路面粗糙度、平均风速和车速对行驶在桥梁上车辆驾驶舒适性进行评价，同时，可计算侧风和车辆移动荷载对桥梁振动的影响。

附图说明

图1为典型路段交通荷载调查路线图；

图2为不同车辆动力分析模型横截面；

图3为双轴车动力分析模型立面；

图4为三轴车(双后轴)动力分析模型立面；

图5为三轴车(双前轴)动力分析模型立面；

图6为四轴车动力分析模型立面；

图7为三轴挂车动力分析模型立面；

图8为四轴挂车动力分析模型立面；

图9为五轴挂车(双前轴)动力分析模型立面；

图10为五轴挂车(双后轴)动力分析模型立面；

图11为六轴挂车动力分析模型立面；

图12为车轮与单主梁桥面的几何耦合关系图；

图13为单主梁模型车轮与桥面接触点处桥梁变形确定关系图；

图14为车轮与多主梁桥面的几何耦合关系；

图15为接触点与四个相邻节点的插值关系；

图16为桥梁与车轮的侧向耦合关系；

图17为本发明的风车桥耦合计算的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

选取具有代表性的路段，采用交通信息采集系统和动态承重设备(WIM)开展交通荷载调查，依据调查的结果将实际交通荷载中的车型进行分类，分别建立各个车型的动力分析模型，分车型采用不同的原理推导其运动方程，从而形成质量、刚度和阻尼矩阵。针对不同的梁单元分析模型，建立车辆和桥梁系统间的几何及力学耦合关系，在此基础上得出车桥系统运动方程并求解。编制车桥耦合随机振动分析系统，实现车桥耦合计算程序化。

第一步，典型路段交通荷载调查。

采用动态称重(WIM)设备、交通信息采用系统、基于线阵CCD图像采集切割处理技术、数据统计分析数据包等硬软件相结合建立全自动自校核交通荷载采集系统对国内典型地区的交通荷载信息进行实时监测，采集经过典型路段观察断面的车辆速度、车辆横向行驶位置、行车方向、车型、经过时间、车流量、占有率、车时距、车重等信息，从而极大提高交通荷载调查效率和精度，调查的具体思路见图1所示。

第二步，车辆动力分析模型与运动方程的建立。

(a)动力分析模型的建立

根据交通荷载调查，将实际交通中的车型分为两大类，分别为整体式车型和拖挂式车型。其中整体式车型包括两轴车型、三轴车型(双后轴)、三轴车型(双前轴)、四轴车型，拖挂式车型包括三轴拖挂车型、四轴拖挂车型、五轴拖挂车型(拖车为两轴车)、五轴拖挂车型(拖车为三轴车)、六轴拖挂车型。

在建立整体式车型分析模型时，车体采用5个自由度：浮沉、横移、点头、侧滚及摇头，每个车轮采用2个独立的自由度：横移和竖移；对于拖挂式车型，每个车体采用3个自由度：浮沉、点头及侧滚，每个车轮采用1个自由度：竖移。推导整体式车型运动方程时，采用达朗贝尔原理，推导拖挂式车型时，采用虚功原理。

图2为各车辆动力分析模型横截面，图3为9种车辆动力分析模型立面。其中Z_vr,Z_vr ¹,Z_vr ²分别为不同车体对应的竖向位移；θ_vr,θ_vr ¹，θ_vr ²分别为不同车体对应的X-Z平面内的俯仰角，表示Y-Z平面内的横摆角；分别为第i个轴中线处2个质量块的竖向位移；和分别为第i个轴上层悬挂系统和下层悬挂系统的竖向弹簧刚度；和分别为第i个轴上层悬挂系统和下层悬挂系统的竖向阻尼；为对应于第i个轴处左轮接触点的路面粗糙度；为第i个轴处左轮接触点的桥梁位移；L_i表示相应的轴距或车轴到车体重心距离；图2,3中下标L二表示左侧车轮，R表示右侧车轮。

(b)运动方程的建立：

1、整车车辆运动方程的建立：

两轴车车体运动方程

整个车辆可以分成5个刚体部件：1个车体、4个车轮。车辆总的独立自由度个数为13，可以表示如下：

车体Y方向的运动平衡方程为：

车体Z方向的运动平衡方程为：

车体绕X方向的运动平衡方程为：

车体绕Y方向的运动平衡方程为：

车体绕Z方向的运动平衡方程为：

两轴车车轮运动方程

前轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

后轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

前轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

后轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

三轴车(双后轴)车体运动方程

整个车辆可以分成7个刚体部件：1个车体、6个车轮；车辆的总的独立自由度个数为17，可以表示如下：

车体Y方向的运动平衡方程为：

车体Z方向的运动平衡方程为：

车体绕X方向的运动平衡方程为：

车体绕Y方向的运动平衡方程为：

车体绕Z方向的运动平衡方程为：

1.4三轴车(双后轴)车轮运动方程

前轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

中轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

后轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

前轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

中轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

后轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

三轴车(双前轴)车体运动方程

车体Y方向的运动平衡方程为：

车体Z方向的运动平衡方程为：

车体绕X方向的运动平衡方程为：

车体绕Y方向的运动平衡方程为：

车体绕Z方向的运动平衡方程为：

1.6三轴车(双前轴)车轮运动方程

前轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

中轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

后轴左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

前轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

中轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

后轴右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

1.7四轴车车体运动方程

整个车辆可以分成9个刚体部件：1个车体、8个车轮，四轴八轮车辆的总的独立自由度个数为21，可以表示如下：

车体Y方向的运动平衡方程为：

车体Z方向的运动平衡方程为：

车体绕X方向的运动平衡方程为：

车体绕Y方向的运动平衡方程为：

车体绕Z方向的运动平衡方程为：

四轴车车轮运动方程

前轴(一)左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

前轴(二)左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

后轴(三)左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

后轴(四)左侧刚体在Y和Z方向的运动方程为：

前轴(一)右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

前轴(二)右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

后轴(三)右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

后轴(四)右侧刚体在Z和Y方向的运动方程为：

2、拖挂车车辆运动方程的建立：

三轴拖挂车车辆运动方程

整个车辆可以分成8个刚体部件：2个车体、6个车轮。由于可以由来表达，所以车辆总的独立自由度个数为11，可以表示如下：

上层左右侧竖向弹簧的竖向相对位移为：

下层左右侧竖向弹簧的竖向相对位移为：

拖车和挂车之间有一个连接点，通过连接点处的竖向位移协调可得到下式：

车辆惯性力、阻尼力、弹性力所做的虚功分别为：

2.2四轴拖挂车车辆运动方程

整个车辆可以分成10个刚体部件：2个车体、8个车轮。车辆总的独立自由度个数为13，可以表示如下：

自由度之间关联：

车辆惯性力、阻尼力、弹性力所做的虚功分别为：

2.3五轴拖挂车(双前轴)车辆运动方程

整个车辆可以分成12个刚体部件：2个车体、10个车轮。车辆总的独立自由度个数为15，可以表示如下：

自由度之间关联：

车辆惯性力、阻尼力、弹性力所做的虚功分别为：

2.4五轴拖挂车(双后轴)车辆运动方程

自由度之间关联：

车辆惯性力、阻尼力、弹性力所做的虚功分别为：

2.5六轴拖挂车车辆运动方程

整个车辆可以分成14个刚体部件：2个车体、12个车轮。车辆总的独立自由度个数为17，可以表示如下：

自由度之间关联：

车辆惯性力、阻尼力、弹性力所做的虚功分别为：

第三步，耦合关系的建立：汽车—桥梁系统耦合关系确定

目前桥梁建模通用的方法主要有梁单元法、板壳元法、三维实体元法以及梁格法。但是目前车-桥耦合分析时的桥梁模型通常采用梁单元法或者梁格法进行模拟，按照主梁横断面的不同，梁单元分析模型可以分为单主梁模型和多主梁或者梁格法分析模型，对于不同的梁单元分析模型，在处理车-桥系统的几何和力学耦合关系时存在一定的差异。对于单主梁和梁格法分析模型，桥梁竖向变形的计算方法以及车-桥系统相互作用力施加给桥梁的方式有所不同。

车辆与单梁式桥梁的耦合关系

对于单主梁分析模型，图4和图5分别给出了车轮与钢箱梁桥面的几何关系以及车-桥系统接触点与单主梁相邻单元的两个节点之间的关系。

与车-桥系统接触点位于同一横断面主梁中心上点m的位移为{u_c,v_c,w_c,θ_xc,θ_yc,θ_zc}^T，则车轮与桥面第i个接触点的位移可以表示如下：

其中e_i和h_i分别为车轮与桥面接触点与桥梁中心的水平和竖向距离。

第i个接触点的竖向位移可以表示为：

基于有限元的结构分析中得到的是桥梁子系统离散节点处的位移、速度、加速度，而与车轮同一断面上的点若不是位于桥梁子系统离散节点处，就需要根据插值关系确定。当与车轮同一横断面上的点m位于单元k的两节点1,2之间时，则该点的竖向位移可根据插值关系得到：

式中，N₁，N₂，N₃，N₄，N₅，N₆为形函数，其中,l单元长度；x_i为节点1至节点m的距离；w_i(i＝1,2),θ_xi(i＝1,2)和θ_yi(i＝1,2)分别为节点1和节点2的竖向位移，绕x轴和y轴的转角。

式中， U_V为车速。

第_i个车轮施加给桥梁的竖向力表示为

式中和分别为下层悬挂系统第_i个车轮的阻尼系数和刚度系数；为第i个车轮的竖向位移，为对应于第i个车轮的桥面等效竖向粗糙度。和分别表示为和对时间的微分。

车轮施加给桥梁的作用力可以等效到单元k两端节点上:

车辆与多梁式桥梁的耦合关系

对于多梁式桥梁，图6和图7分别给出了车轮与多梁式桥梁的几何耦合关系以及车-桥接触点与四个相邻节点插值关系图。

对于多梁式桥梁，车轮与桥面的接触点位于左右两条纵梁之间，因此，车轮与桥面接触点处桥梁位移应由左右相邻单元上的四个节点位置插值获得。以车辆的左前轮为例，车辆的左前轮位于第i号纵梁的单元p和第i+1号纵梁的单元q之间(见图7)，距两者的横向距离分别为e₁和e₂，则接触点的桥面竖向位移可以由同一横断面上的单元k和单元l的竖向位移z_b,i和z_b,i+1来表示，即：

由图7可以看出，与车轮位于同一横断面的节点分别为节点m和节点n。当节点m位于单元p的两个节点1和2之间，节点n位于单元q的两个节点4和3之间时，节点m和n的竖向位移可根据插值关系得到

w_b,i＝N₁·w₁+N₂·θ_y1+N₃·w₂+N₄·θ_y2(76)

w_b,i+1＝N₁·w₄+N₂·θ_y4+N₃·w₃+N₄·θ_y3(77)

式中w_i(i＝1to4)和θ_yi(i＝1to4)分别为节点1、2、3和4的竖向位移和以及绕y-轴的转角。接触点的速度可以表示为：

其中，的表达式如下：

车轮施加给桥面的接触力分配到第i号和第i+1号纵梁的竖向力分别为

以第i号纵梁为例，分配到第i号梁的竖向接触力可以等效到单元k两端结点上:

风-汽车-桥梁系统耦合关系

风-汽车-桥梁系统安全性分析侧向耦合关系

除了汽车车轮与桥面侧向不发生相对位移时的耦合关系外，在风-汽车-桥梁系统安全性分析中，由于车辆受到侧风将发生相对侧向位移，并以此来判断车辆是否会发生侧滑或偏转事故，因此车轮相对于主梁的侧向位移应该在风-汽车-桥梁系统分析中予以考虑(图8)，车辆行驶于桥面上时车轮与桥面侧向独立自由度的运动方程。

车轮的侧滑力可以由车轮上的竖向力近似表达。

式中，m为侧滑摩擦系数，负号表示侧滑力始终抵抗轮胎相对于桥面的侧向运动；为第i个车轮相对于主梁的侧向速度；F_vci为第i个车轮与桥面的竖向接触力。

式中，为车轮与桥面独立自由度的侧向速度，为车轮第i个接触点处主梁的侧向速度。

第i个接触点处主梁的侧向位移和速度可以表示为

式中，N_hci(x)为从桥梁单元结点位移转换至第i个接触点处主梁的侧向位移的传递函数，U_V为车辆驾驶速度。

竖向力由下式得到

建立风-汽车-桥梁系统舒适性分析侧向耦合关系：

在风-汽车-桥梁系统车辆驾驶舒适性分析中，假定车辆沿直线前进，车轮与桥面在侧向和扭转方向不发生相对位移，桥梁侧向和扭转振动对车辆动力响应的影响主要通过将桥梁侧向加速度和扭转加速度作为基础激励对车辆模型进行输入，现以一辆车辆为例，介绍车辆所受侧向风荷载传递给桥梁的计算方法。

作用于车辆上的侧向气动力为：

式中，C_S(ψ)为车辆的侧力系数，U_R为风速与车辆的相对风速。

当车辆位置位于某单元k的两节点i，j之间时，车辆所受侧向风作用力对桥梁的作用可以等效到单元k两端结点上：

第四步，风-汽车-桥梁系统运动方程的建立和求解。

风—车—桥系统运动方程可表示如下：

式中，[M_v]，[C_v]，[K_v]分别为车辆的质量，阻尼和刚度矩阵；[M_b]，[C_b]，[K_b]分别为桥梁的质量，阻尼和刚度矩阵；{δ_v}，{δ_b}分别指车辆和桥梁的位移向量；{F_vg}是车辆的自重，{F_bg}是桥梁的自重；{F_bv}是作用在车辆上的车-桥接触力向量；{F_vb}是作用在桥梁上的车-桥接触力向量；{F_stb},{F_bub},{F_seb}分别表示作用于桥梁上静力风荷载、抖振风荷载及自激风荷载；{F_stv}表示作用于车辆上风荷载；

当解决风-车-桥相互作用的问题时，作用力是耦合的，必须同时处理。并且，随着车辆从桥的一端驶向另一端，这些力的接触点时刻在移动，不能再使用传统的有限元方法。

根据风-车-桥耦合系统的相对几何关系和力学关系，应用分离迭代的方法使每一个时间步接触点处位移和力的协调条件都得到满足。每次迭代的时候，首先要假定接触点处的位移，然后可以通过对车辆运动方程的求解得到风-车-桥之间的耦合力，如果求得的耦合力为张力，说明所对应的车轮离开了行驶路面，那么该接触点处的接触力设置为零。用求得的耦合力对桥梁的运动方程进行求解，可以得到更新的接触点处的位移。当由这两个连续的迭代过程得到的所有接触点处的位移足够逼近的时候，迭代过程就会终止。

第五步风-随机车流-桥梁系统分析软件编制

针对单主梁和梁格法桥梁分析模型，开发一个包含典型车型库，可以考虑桥面空间路面粗糙度，具有单向及双向多车道设置功能，车型、车辆悬挂系统、车重、横向行驶位置、车速和障碍物位置和尺寸等参数随机功能。

车辆生成随机

过桥车辆可以是单车也可以是车队，针对不同的桥梁以及不同的研究目的可随机设置，计算重车效应时，可设置重车加小车的离散特种车工况，如需分析桥梁在整个交通流下的响应时，可设置相应密度的交通流车辆。

空间路面粗糙度

路面粗糙度是空间变化的。分析系统设置了桥面空间路面粗糙度功能。空间路面粗糙度的获取可以采用实测和数值模拟两种，然后形成对应于整个桥面的空间路面粗糙度面，最后通过各车轮在桥面的纵向和横向上桥位置插值确定各车轮对应的路面粗糙度。

单向及双向多车道设置

程序设置了单向及双向行驶多车道功能，该功能控制参数为：总的车道数、各车道中心横向位置、行驶方向。

车辆系统随机

首先确定每一个上桥车辆的动力分析模型。其次，确定车型的几何参数和车辆悬挂系统参数，如前后轴距，左右轮距，车辆侧向迎风面积等参数。最后根据车质量分布类型，随机产生车体质量。

必须通过以上三层处理才能实现车辆系统随机。

车辆横向行驶位置随机

车辆在正常行驶下通常会沿着一个车道行驶，但是车辆也不可能沿着车道中心行驶，而总是与车道中心有一定偏差，车辆在桥面横向行驶位置会对桥梁横向空间响应有一定的影响，因此，本随机分析系统设置了横向位置随机分析功能。

横向随机功能主要针对单主梁和梁格法分析不同，单主梁分析模型需要判断车辆各车轮与主梁中心距离，而梁格法分析模型需要判断车辆各车轮位于左右各纵梁的梁号和距离，然后进行加载。

车速参数随机

桥梁上通过的车辆由于运输性质以及发动机性能的不同，每辆车的车速都是不同的，车速对桥梁的空间动力响应也是有影响的，该分析系统设置了车速随机功能，从而可以设置任一上桥车辆的车速。

障碍物位置和尺寸随机：

桥梁桥面会存在凹凸不平或者设置障碍物，如有障碍跑车试验等等。分析系统设置了障碍物位置和尺寸随机设置功能，可以设置障碍物在桥面的位置和几何尺寸。

动态可视化：

为了实现随机车流过桥动态可视化，首先将对公路上通行典型车辆进行分类，运用OpenGL动态库中的三维绘图命令将每个代表车型几何信息采用点、线、面信息形成典型车辆的车型库，同样基于OpenGL动态库实现桥梁三维模型的绘制。然后通过建立的汽车-桥梁随机振动系统计算产生每个时刻桥梁和车辆运动状态数据库，最后调用数据库实现动力响应可视化。

本发明提供了一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，根据实际交通荷载调查，分别建立每一种典型车型所对应的车辆动力分析模型，形成完整的公路桥梁车辆动力分析模型库。以此来建立各种车辆的运动方程，从而达到准确计算分析车桥系统动力响应的目的。

建立随机车流风车桥耦合计算方法具有以下非常重要的意义：(1)满足桥梁健康观测系统理论分析的需要。目前的健康监测系统仅有监测的功能，并不能够参与结构的计算，亟需一款能够计算正常运营状态(随机车流荷载和风荷载)下以及突发事件(意外大风等)下的结构响应和力学状态的仿真软件。(2)了解大跨桥梁在风和交通荷载联合作用下的响应特征，为结构疲劳，耐久性，寿命预测以及运营车辆荷载限值制定等提供基础分析工具。确定公路桥梁风和车辆荷载组合设计方法，提升桥梁设计理念的需要。

最终，以上实施例和附图仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于，具体步骤为：

2)依据调查的结果将实际交通荷载中的车型进行分类，分别建立各个车型的动力分析模型，按照车型的不同推导其运动方程，从而形成质量、刚度和阻尼矩阵；

2.根据权利要求1所述的一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于：在第1)步典型路段交通荷载调查中，采用动态称重WIM设备、交通信息采用系统、基于线阵CCD图像采集切割处理技术、数据统计分析数据包相结合建立全自动自校核交通荷载采集系统，对国内典型地区的交通荷载信息进行实时监测，采集经过典型路段观察断面的车辆速度、车辆横向行驶位置、行车方向、车型、经过时间、车流量、占有率、车时距、车重信息。

3.根据权利要求1所述的一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于：在第2)建立车辆动力分析模型与运动方程时,根据交通荷载调查，将实际交通中的车型分为整体式车型和拖挂式车型两大类,其中整体式车型包括两轴车型、双后轴三轴车型、双前轴三轴车型、四轴车型；拖挂式车型包括三轴拖挂车型、四轴拖挂车型、拖车为两轴车的五轴拖挂车型、拖车为三轴车的五轴拖挂车型、六轴拖挂车型。

4.根据权利要求3所述的一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于：在建立整体式车型分析模型时，车体采用5个自由度：浮沉、横移、点头、侧滚及摇头，每个车轮采用2个独立的自由度：横移和竖移；推导整体式车型运动方程时，采用达朗贝尔原理。

5.根据权利要求3所述的一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于：在建立拖挂式车型分析模型时，每个车体采用3个自由度：浮沉、点头及侧滚，每个车轮采用1个自由度：竖移；推导拖挂式车型时，采用虚功原理。

6.根据权利要求1所述的一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于：在3)步中，在风-汽车-桥梁系统安全性分析中考虑车轮相对于主梁的侧向位移，建立车辆行驶于桥面上时车轮与桥面侧向独立自由度的运动方程。

7.根据权利要求1所述的一种公路随机车流风车桥耦合计算方法，其特征在于：在3)步中，在风-汽车-桥梁系统安全性分析中考虑车轮相对于主梁的侧向位移，建立车辆行驶于桥面上时车轮与桥面侧向独立自由度的运动方程，其具体步骤为：

1).建立车辆的动力分析模型

2).确定车辆悬挂系统，确定阻尼系数

a.车轮的侧滑力可以由车轮上的竖向力近似表达

F_{h c i} = - m \frac{{\overset{\cdot}{Δ}}_{y c i}}{U_{V}} F_{v c i}

b.而上式可以改为如下形式

C_{s c y i} = m \frac{F_{v c i}}{U_{V}}

式中C_scyi可以视为安装于第i个车轮与桥面之间的侧向粘滞阻尼器的阻尼系数；第i个车轮的侧滑力可以用安装于第i个车轮与桥面之间的具有阻尼系数C_scyi的特殊阻尼器来表示；阻尼系数由车轮竖向接触力确定，在每一时间步内,对C_scyi进行迭代直至C_scyi收敛；

3)选取车辆自由度

将车辆轮胎与桥面之间的侧向位移作为独立自由度；

4)根据达朗贝尔原理或虚功原理建立车辆的运动方程。