CN114169768A - 一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统 - Google Patents

一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统 Download PDF

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CN114169768A CN202111500168.5A CN202111500168A CN114169768A CN 114169768 A CN114169768 A CN 114169768A CN 202111500168 A CN202111500168 A CN 202111500168A CN 114169768 A CN114169768 A CN 114169768A
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Abstract

本发明公开了一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统，属于交通和桥梁工程技术领域，所述方法包括如下步骤：获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风‑车流‑桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成桥梁涡激振动下车流过桥舒适性的评价；本发明采用ISO 2631标准推荐的舒适性评价方法，根据求得的车辆动力响应计算驾驶员加权加速度均方根值，进而衡量驾驶员受振程度并评价其舒适性，有助于显示人体不同振动分量对舒适性的影响。

Description

一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统
技术领域
本发明属于交通和桥梁工程技术领域，尤其涉及一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法及系统。
背景技术
随着经济全球化和区域一体化的持续推进，亟待建设高效的一体化交通网络，以缩短不同国家或区域之间的时空距离；作为高速铁路、公路和跨海通道等大型交通网络的关键节点，大跨度桥梁以其出色的跨越性能和优美的造型在世界各地被广泛建造并使用；然而，随着桥梁跨越能力不断提升，桥梁愈发轻柔，其对风的作用也愈发敏感；在各种桥梁风致振动现象中，涡激振动是常遇风速下大跨度桥梁容易发生的一种振动形式；虽然涡振的破坏性不如颤振，但频繁发生的振幅较大的涡振可能会导致桥梁构件的疲劳损伤累积，影响桥梁的正常使用，甚至会引起桥上车辆驾驶员或行人的不适；一些世界知名大桥均发生过大幅涡激振动现象；已有调查发现，尽管车辆通过桥梁的时间一般仅持续几分钟，涡振情况下行驶在上述桥梁上的一些驾驶员和乘客经历了不同程度的短期身体不适。
现有技术中，主要针对常遇风速下刚性道路上驾驶员的乘坐舒适性开展研究，缺少针对横风作用下大跨度桥梁上行车舒适性的研究，因为这涉及到一个复杂的风—车—桥耦合振动问题；同时，已有的基于风—车—桥耦合振动框架下的驾驶员舒适性研究仅考虑正常风况下的驾驶员舒适性，缺少针对桥梁涡振情况下的驾驶员舒适性的研究；此外，对大跨桥梁而言，桥上可同时通行多辆车，产生动态变化的车流，车流通过大跨桥梁时的舒适性评价问题变得更为复杂。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种桥梁涡振下车流过桥舒适性评价方法及系统，解决了桥梁涡振情况下车流过桥时难以评价驾驶员舒适度的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，包括如下步骤：
S1、获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
S2、基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风-车流-桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
S3、基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，结合实测数据和涡激力理论模型，合理模拟桥梁在涡振下受到的涡激力；本方法使用元胞自动机车流模型较真实地模拟桥上车流运行情况，在此基础上建立考虑桥梁涡振的风—车流—桥耦合系统，并基于分离迭代法求解系统动力响应；本方法采用ISO 2631标准推荐的舒适性评价方法，根据求得的车辆动力响应计算驾驶员加权加速度均方根值，通过驾驶员的总加权加速度方根衡量驾驶员受振程度并评价其舒适性；本申请充分考虑了风、车流、桥之间的相互作用，并合理体现了桥上车流的实际运行情况，有助于准确分析桥梁涡振下风—车流—桥耦合系统动力响应，进而评估车流过桥舒适性。
进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：
S11、沿桥梁跨径均匀设置加速度和位移传感器，并在桥梁发生涡激振动时实测桥梁位移和加速度数据；
S12、根据实测桥梁位移和加速度数据，得到桥梁的振动频率和振幅；
S13、根据桥梁几何、材料和边界特征，建立桥梁有限元模型，并组集桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，以及分析得到桥梁的自振模态；
S14、根据桥梁的振动频率、振幅和自振模态，选取涡激力理论模型；
S15、根据桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵建立桥梁运动方程；
S16、施加涡激力理论模型对应的单位涡激力至桥梁运动方程，得到桥梁运动方程在单位涡激力作用下的振幅；
S17、根据桥梁的振幅和桥梁在单位涡激力作用下的振幅，得到涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，其中，涡激力时程包括若干个分析步。
采用上述进一步方案的有益效果为：实测数据和涡激力理论模型，合理模拟桥梁在涡振下受到的涡激力，并将涡激力时程划分为若干个分析步，可对各分析步中驾驶员在桥梁涡振情况下车流过桥的舒适度分析和评价。。
进一步地，所述步骤S14中所述涡激力理论模型的涡激力FVI的表达式如下：
Figure BDA0003401273970000031
其中，ρ表示空气密度；U表示来流速度；D表示桥梁主梁横风向尺寸；CL表示主梁升力系数均方根；ω表示振动圆频率；θ表示主梁位移响应与涡激力的相位差，t表示时间。
采用上述进一步方案的有益效果为：提供涡激力，实现对桥梁涡激振动的有效振动模拟。
进一步地，
进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：
S21、获取实测的桥梁车流运行数据，并得到车流模拟参数；
S22、获取实测的桥梁车流中车辆的几何和力学特征，并组集车辆的质量、刚度和阻尼矩阵；
S23、根据车流模拟参数，并基于元胞自动机车流模型，得到随机车流运行数据；
S24、获取实测的桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，模拟桥梁所处桥位的脉动风场；
S25、利用路面粗糙度功率谱密度函数，通过傅里叶逆变换计算得到桥梁的路面粗糙度；
S26、基于所述涡激力理论模型参数，得到桥梁涡激振动下受到的涡激力；
S27、根据随机车流运行数据、桥梁所处桥位的脉动风场、桥梁的路面粗糙度和桥梁涡激振动下受到的涡激力，建立风-车流-桥耦合系统；
S28、通过分离迭代法将风-车流-桥耦合系统分为车辆子系统和桥梁子系统；
S29、基于桥梁受到的涡激力时程，分别对车辆子系统和桥梁子系统进行动力分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，其中，车辆动力响应包括车辆子系统的位移、速度和加速度，桥梁动力响应包括桥梁子系统的位移、速度和加速度。
采用上述进一步方案的有益效果为：建立风—车流—桥耦合系统，并基于分离迭代法求解系统动力响应，充分考虑桥梁涡振情况下车流过桥的情况。
进一步地，所述步骤S23包括如下步骤：
S231、建立具有周期边界的引道—桥梁—引道系统；
S232、根据引道—桥梁—引道系统和车辆模拟参数，生成随机分布的初始车流；
S233、基于初始车流和元胞自动机车流模型，得到各车辆在各分析步的运动状态；
S234、基于运动状态，得到随机车流运行数据。
采用上述进一步方案的有益效果为：通过建立引道—桥梁—引道系统，并使用元胞自动机车流模型较真实地模拟桥上车流运行情况。
进一步地，所述步骤S24包括如下步骤：
S241、将实测桥梁所处桥位的风场中的自然风分为平均风和三个方向的脉动风；
S242、基于平均风，将三个方向的脉动风等效为稳态的高斯随机过程；
S243、根据桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，基于稳态的高斯随机过程，利用谱解法模拟桥梁所处桥位的脉动风场。
采用上述进一步方案的有益效果为：通过对桥梁所处桥位的实测风场分析，得到桥梁涡振重要起因的风场数据。
进一步地，所述步骤S29包括如下步骤：
S291、根据随机车流运行数据，得到当前分析步中车辆在桥梁上的位置；
S292、根据脉动风场，得到当前分析步中车辆承受的风载荷；
S293、根据桥梁位移、速度和路面粗糙度，得到车辆承受的初始车桥相互作用力；
S294、根据车辆质量、刚度、阻尼矩阵、风载荷和初始车桥相互作用力，建立车辆运动方程；
S295、基于车辆运动方程，利用数值积分法，得到当前分析步的第一次迭代车辆动力响应；
S296、根据车辆的车轮受力平衡条件，得到所述桥梁承受的初始桥车相互作用力；
S297、根据桥梁的位移、刚度、阻尼矩阵、初始桥车相互作用力和涡激力，建立桥梁运动方程；
S298、基于桥梁运动方程，利用数值积分法，计算得到当前分析步的第一次迭代桥梁动力响应；
S299、根据当前分析步的第一次迭代车辆动力响应和第一次迭代桥梁动力响应，对风-车流-桥耦合系统进行耦合振动分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应。
采用上述进一步方案的有益效果为：基于分离迭代法，将所述风—车流—桥耦合系统视为分离的车辆和桥梁系统，对车辆和桥梁系统分别进行动力分析，循环迭代直至车辆和桥梁系统的几何与力学关系满足预设收敛条件，
进一步地，所述步骤S299包括如下步骤：
A1、根据当前分析步的第一次迭代车辆动力响应和第一次迭代桥梁动力响应，计算得到车辆和桥梁分别在当前分析步受到的第一次迭代车桥相互作用力和第一次迭代桥车相互作用力；
A2、判断当前分析步的第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力分别与第j-1次迭代车桥相互作用力和第j-1次迭代桥车相互作用力是否小于预设收敛条件，若是则进入步骤A7，否则进入步骤A3；
A3、根据所述涡激力时程，得到当前分析步桥梁承受的风荷载；
A4、将当前分析步的第j+1次迭代车桥相互作用力作为荷载项代入车辆运动方程，并将第j+1次迭代桥车相互作用力和风荷载作为荷载相代入桥梁运动方程，通过数值积分法分别对应得到当前分析步中第j+1次迭代车辆动力响应和第j+1次迭代桥梁动力响应；
A5、根据第j+1次迭代车辆动力响应和第j+1次迭代桥梁动力响应，计算得到车辆和桥梁分别在当前分析步受到的第j+1次迭代车桥相互作用力和第j+1次迭代桥车相互作用力；
A6、将当前分析步受到的第j+1次迭代车桥相互作用力和第j+1次迭代桥车相互作用力分别作为当前分析步的第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力，返回步骤A2；
A7、将第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力分别对应的第j次迭代车辆动力响应和第j次迭代桥梁动力响应作为耦合振动分析结果，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，完成风-车流-桥耦合系统进行耦合振动分析。
采用上述进一步方案的有益效果为：通过循环迭代，使相邻两次迭代产生的车辆动力响应和桥梁动力响应满足收敛条件，得到用于舒适度评价的车辆动力响应和桥梁动力响应。
进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、根据ISO 2631标准中的人体坐姿受振模型、车辆动力响应和桥梁动力响应，建立车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型；
S32、通过车辆动力响应以及车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型，计算得到驾驶位振动分量；
S33、根据驾驶位振动分量与ISO 2631标准中的频率加权函数，通过快速傅里叶变换将驾驶位振动分量转换至频域中进行加权，并通过逆快速傅里叶变换，得到驾驶位加权加速度；
S34、基于驾驶位加权加速度和ISO 2631标准中的轴加权系数，计算得到车辆驾驶员的总加权加速度方根aOVTV；
S35、基于ISO 2631标准中的舒适性等级划分表和驾驶员的总加权加速度方根，评价车流过桥的舒适性。
采用上述进一步方案的有益效果为：通过ISO 2631标准推荐的舒适性评价方法，根据求得的车辆动力响应计算驾驶员加权加速度均方根值，通过驾驶员的总加权加速度方根衡量驾驶员受振情况并评价其舒适性。
本发明还提供一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统，包括涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程获取模块，用于获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
车辆动力响应和桥梁动力响应获取模块，用于基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风-车流-桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
车流过桥的舒适性评价模块，用于基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统为本发明提供的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法对应设置的系统，用于实现基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
附图说明
图1为本发明实施例中基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例中大跨悬索桥总体和传感器布置图。
图3为本发明实施例中桥梁实测位移图。
图4为本发明实施例中桥梁有限元模型示意图。
图5为本发明实施例中元胞自动机车流模型示意图。
图6为本发明实施例中桥梁涡振模拟结果示意图。
图7为本发明实施例中车辆响应模拟结果示意图。
图8为本发明实施例中车流舒适性模拟结果示意图。
图9为本发明实施例中基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统的框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，包括如下步骤：
S1、获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
所述步骤S1包括如下步骤：
S11、沿桥梁跨径均匀设置加速度和位移传感器，并在桥梁发生涡激振动时实测桥梁位移和加速度数据；
如图2所示，在本实施例中在桥梁左侧外端200m部分、左侧内部850m部分、右侧内部850m部分和右侧外端200m的桥面上跨径均匀设置加速度和位移传感器，且在桥梁中塔上部设置有加速度和位移传感器；
S12、根据实测桥梁位移和加速度数据，得到桥梁的振动频率和振幅；
如图3所示，本实施例于11点至18点持续对桥体进行了检测，桥梁分别在12点40分至12点50分间和16点55分至17点12分间出现了明显位移，峰值达0.5m，根据所述实测桥梁位移，得到桥梁实测振动振幅，且根据实测桥梁加速度，通过快速傅里叶变换，得到桥梁的振动频率和振幅；
S13、根据桥梁几何、材料和边界特征，建立桥梁有限元模型，并组集桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，以及分析得到桥梁的自振模态；
如图4所示，获取桥梁几何、材料和边界特性，根据所述桥梁几何、材料和边界特性，建立桥梁有限元模型，本实施例中具体使用空间杆单元，空间梁单元和质量单元模拟桥梁不同构件，组集桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，并使用通用有限元软件分析桥梁的自振模态；
S14、根据桥梁的振动频率、振幅和自振模态，选取涡激力理论模型；
所述涡激力理论模型的涡激力FVI的表达式如下：
Figure BDA0003401273970000101
其中，ρ表示空气密度；U表示来流速度；D表示桥梁主梁横风向尺寸；CL表示主梁升力系数均方根；ω表示振动圆频率；θ表示主梁位移响应与涡激力的相位差，t表示时间；
S15、根据桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵建立桥梁运动方程；
S16、施加涡激力理论模型对应的单位涡激力至桥梁运动方程，得到桥梁运动方程在单位涡激力作用下的振幅；
S17、根据桥梁的振幅和桥梁在单位涡激力作用下的振幅，得到涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，其中，涡激力时程包括若干个分析步；
所述涡激力理论模型参数表达式如下：
Figure BDA0003401273970000111
其中，a表示涡激力理论模型参数，A1表示实测主梁竖向位移振幅，A0表示通过数值计算得到的单位涡激力作用下主梁的竖向位移振幅；
S2、基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风-车流-桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
所述步骤S2中涡激力时程包括若干个分析步；
所述步骤S2中的车辆动力响应包括车辆子系统的位移、速度和加速度；所述桥梁动力响应包括桥梁子系统的位移、速度和加速度；
所述步骤S2包括如下步骤：
S21、获取实测的桥梁车流运行数据，并得到车流模拟参数；
所述车流模拟参数包括车流密度、车型比例、车辆长度、车辆轴距、车辆最大速度、车辆加速度特性和车辆换道概率；
S22、获取实测的桥梁车流中车辆的几何和力学特征，并组集车辆的质量、刚度和阻尼矩阵；
根据实测桥梁车流中车辆的几何和力学特征，建立车辆模型，将车辆模拟为车体、车轴和车轮若干刚体，各刚体之间通过阻尼器和弹性元件连接；
S23、根据车流模拟参数，并基于元胞自动机车流模型，得到随机车流运行数据；
所述步骤S23包括如下步骤：
S231、建立具有周期边界的引道—桥梁—引道系统；
S232、根据引道—桥梁—引道系统和车辆模拟参数，生成随机分布的初始车流；
S233、基于初始车流和元胞自动机车流模型，得到各车辆在各分析步的运动状态；
S234、基于运动状态，得到随机车流运行数据；
如图5所示，所述元胞自动机车流模型中包括多个元胞，根据不同车型设置不同元胞大小，轿车设置元胞长度为5m，厢式货车设置元胞长度为8m；得到所述随机车流运行数据需确定换道行为、确定安全跟车距离、确定缓慢加速概率、确定车辆运行行为、更新车辆速度和更新车辆位置；
S24、获取实测的桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，模拟桥梁所处桥位的脉动风场；
所述步骤S24包括如下步骤：
S241、将实测桥梁所处桥位的风场中的自然风分为平均风和三个方向的脉动风；
S242、基于平均风，将三个方向的脉动风等效为稳态的高斯随机过程；
S243、根据桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，基于稳态的高斯随机过程，利用谱解法模拟桥梁所处桥位的脉动风场；
S25、利用路面粗糙度功率谱密度函数，通过傅里叶逆变换计算得到桥梁的路面粗糙度；
S26、基于所述涡激力理论模型参数，得到桥梁涡激振动下受到的涡激力；所述桥梁涡激振动下受到的涡激力表达式如下：
FVI＝a sin(wt+θ)
如图6所示，将所述涡激力施加至桥梁，产生桥梁涡激振动，该涡激振动为竖向振动，波形为正弦波，振动周期为4.16s；
S27、根据随机车流运行数据、桥梁所处桥位的脉动风场、桥梁的路面粗糙度和桥梁涡激振动下受到的涡激力，建立风-车流-桥耦合系统；
S28、通过分离迭代法将风-车流-桥耦合系统分为车辆子系统和桥梁子系统；
所述车辆子系统控制方程表达式和桥梁子系统的系统控制方程表达式如下：
Figure BDA0003401273970000131
Figure BDA0003401273970000132
其中，Mb、Kb和Cb分别表示桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，ub，
Figure BDA0003401273970000133
和
Figure BDA0003401273970000134
分别表示桥梁的位移、速度和加速度，
Figure BDA0003401273970000135
Kv和
Figure BDA0003401273970000136
分别表示车辆的质量、刚度和阻尼矩阵，
Figure BDA0003401273970000137
和
Figure BDA0003401273970000138
分别表示车流中任意车辆i的位移、速度和加速度，
Figure BDA0003401273970000139
表示桥梁与车流中任意车辆i间的桥车相互作用力，Fbw表示桥梁受到的风荷载，
Figure BDA00034012739700001310
和
Figure BDA00034012739700001311
分别表示车流中任意车辆i的自重、受到的风荷载和与桥梁间的车桥相互作用力；
S29、基于桥梁受到的涡激力时程，分别对车辆子系统和桥梁子系统进行动力分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，其中，车辆动力响应包括车辆子系统的位移、速度和加速度，桥梁动力响应包括桥梁子系统的位移、速度和加速度；
分别对车辆和桥梁系统进行动力分析，循环迭代直至车辆和桥梁系统的几何与力学关系满足预设收敛条件，所述车辆和桥梁系统的几何和力学关系通过所述车辆子系统和桥梁子系统分别承受的车桥相互作用力和桥车相互作用力表示，输出最后一次迭代得到的车辆和桥梁系统动力响应；
所述步骤S29包括如下步骤：
S291、根据随机车流运行数据，得到当前分析步中车辆在桥梁上的位置；
S292、根据脉动风场，得到当前分析步中车辆承受的风载荷；
S293、根据桥梁位移、速度和路面粗糙度，得到车辆承受的初始车桥相互作用力；
S294、根据车辆质量、刚度、阻尼矩阵、风载荷和初始车桥相互作用力，建立车辆运动方程；
S295、基于车辆运动方程，利用数值积分法，得到当前分析步的第一次迭代车辆动力响应；
S296、根据车辆的车轮受力平衡条件，得到所述桥梁承受的初始桥车相互作用力；
S297、根据桥梁的位移、刚度、阻尼矩阵、初始桥车相互作用力和涡激力，建立桥梁运动方程；
S298、基于桥梁运动方程，利用数值积分法，计算得到当前分析步的第一次迭代桥梁动力响应；
S299、根据当前分析步的第一次迭代车辆动力响应和第一次迭代桥梁动力响应，对风-车流-桥耦合系统进行耦合振动分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
所述步骤S299包括如下步骤：
A1、根据当前分析步的第一次迭代车辆动力响应和第一次迭代桥梁动力响应，计算得到车辆和桥梁分别在当前分析步受到的第一次迭代车桥相互作用力和第一次迭代桥车相互作用力；
A2、判断当前分析步的第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力分别与第j-1次迭代车桥相互作用力和第j-1次迭代桥车相互作用力是否小于预设收敛条件，若是则进入步骤A7，否则进入步骤A3；
A3、根据所述涡激力时程，得到当前分析步桥梁承受的风荷载；
A4、将当前分析步的第j+1次迭代车桥相互作用力作为荷载项代入车辆运动方程，并将第j+1次迭代桥车相互作用力和风荷载作为荷载相代入桥梁运动方程，通过数值积分法分别对应得到当前分析步中第j+1次迭代车辆动力响应和第j+1次迭代桥梁动力响应；
A5、根据第j+1次迭代车辆动力响应和第j+1次迭代桥梁动力响应，计算得到车辆和桥梁分别在当前分析步受到的第j+1次迭代车桥相互作用力和第j+1次迭代桥车相互作用力；
A6、将当前分析步受到的第j+1次迭代车桥相互作用力和第j+1次迭代桥车相互作用力分别作为当前分析步的第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力，返回步骤A2；
A7、将第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力分别对应的第j次迭代车辆动力响应和第j次迭代桥梁动力响应作为耦合振动分析结果，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，完成风-车流-桥耦合系统进行耦合振动分析；
S3、基于车辆动力响应和ISO 2631标准，评价车流过桥的舒适性，完成桥梁涡激振动下车流过桥舒适性的评价。
所述步骤S3包括如下步骤：
S31、根据ISO 2631标准中的人体坐姿受振模型、车辆动力响应和桥梁动力响应，建立车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型；
通过风—车流—桥耦合系统，考虑桥梁动力响应对车辆振动的影响，计算车辆动力响应；
S32、通过车辆动力响应以及车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型，计算得到驾驶位振动分量，将车辆质心的振动分量加速度转移到驾驶位处的振动分量加速度；
所述车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型表达式如下：
Figure BDA0003401273970000161
Figure BDA0003401273970000162
Figure BDA0003401273970000163
Figure BDA0003401273970000164
其中，avs、avb、avf、als、alb、alf、aps和ars分别表示竖向驾驶位加速度、竖向靠背加速度、竖向脚支撑面加速度、横向座椅加速度、横向靠背加速度、横向脚支撑面加速度、点头座椅加速度、侧滚方向座椅加速度，ds、ys和hs分别表示座椅距离车辆车体质心的纵向、横向和竖向距离，
Figure BDA0003401273970000165
和
Figure BDA0003401273970000166
分别表示车辆车体质心的竖向加速度、横向加速度、点头加速度和侧滚加速度；
S33、根据驾驶位振动分量与ISO 2631标准中的频率加权函数，通过快速傅里叶变换将驾驶位振动分量转换至频域中进行加权，并通过逆快速傅里叶变换，得到驾驶位加权加速度；
所述快速傅里叶变换和逆快速傅里叶变换表达式如下：
X′(r)＝X(r)·W(r)
Figure BDA0003401273970000167
wN＝e-2πr/N
其中，X`(r)表示经频率加权后的频域信号，X(r)表示原始频域信号，W(r)表示频率加权函数，x′(υ)表示经频率加权后的时域信号，N表示采样点个数，r表示频域信号序列，wN表示采样频率，υ表示时间信号序列，其中，υ＝1,2,3…N-1，且r＝1,2,3…N-1；
如图7所示，以竖向加速度为例，首先时域信号转换至频域进行加权，得到加权后的竖向加速度单边功率谱图，再基于加权后的竖向加速度单边功率谱图得到加权后的竖向加速度；
S34、基于驾驶位加权加速度和ISO 2631标准中的轴加权系数，计算得到车辆驾驶员的总加权加速度方根aOVTV；
所述步骤S34中车辆驾驶员的总加权加速度方根aOVTV表达式如下：
Figure BDA0003401273970000171
其中，kI表示轴加权系数，awI-RMS表示频率加权加速度的二次均方根值，I表示第I种轴向振动分量，其中，I＝1,2,3…8；
S35、基于ISO 2631标准中的舒适性等级划分表和驾驶员的总加权加速度方根，评价车流过桥的舒适性；
如图8所示，根据各车辆的舒适性指标评价车流过桥舒适性，本实施例考虑了包括四类车型的车流，包括轿车V1、厢式货车V2、客车V3和卡车V4，且舒适性指标为根据驾驶员总加权加速度均方根值判定的舒适性程度，共包含6种程度，如表1所示：
表1
Figure BDA0003401273970000172
Figure BDA0003401273970000181
本实施例中，采用ISO 2631标准推荐的舒适性评价方法，根据求得的车辆动力响应计算驾驶员加权加速度均方根值，进而衡量驾驶员受振程度并评价其舒适性，有助于显示人体不同振动分量对舒适性的影响；
实施例2
如图9所示，本发明提供一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统，包括涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程获取模块，用于获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
车辆动力响应和桥梁动力响应获取模块，用于基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风-车流-桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
车流过桥的舒适性评价模块，用于基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
实施例提供的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统可以执行上述方法实施例基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法所示的技术方案，其实现原理与有益效果类似，此处不再赘述。
本发明实施例中，本申请可以根据基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法进行功能单元的划分，例如可以将各个功能划分为各个功能单元，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理单元中。上述集成单元即可以采用硬件的形式来实现，也可以采用软件功能单元的形式来实现。需要说明的是，本发明中对单元的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
本发明实施例中，基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统为了基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的原理与有益效果，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本发明所公开的实施例描述的各示意单元及算法步骤，本发明能够以硬件和/或硬件和计算机软件结合的形式来实现，某个功能以硬件还是计算机软件驱动的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件，可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本方法结合实测数据和涡激力理论模型，合理模拟桥梁在涡振下受到的涡激力；本方法使用元胞自动机车流模型较真实地模拟桥上车流运行情况，在此基础上建立考虑桥梁涡振的风—车流—桥耦合系统，并基于分离迭代法求解系统动力响应；本方法采用ISO2631标准推荐的舒适性评价方法，根据求得的车辆动力响应计算驾驶员加权加速度均方根值，通过驾驶员的总加权加速度方根衡量驾驶员受振程度并评价其舒适性；本申请充分考虑了风、车流、桥之间的相互作用，并合理体现了桥上车流的实际运行情况，有助于准确分析桥梁涡振下风—车流—桥耦合系统动力响应。
在保证算法稳定性的同时能有效提升算法精度。

Claims (10)

1.一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
S2、基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风-车流-桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
S3、基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
2.根据权利要求1所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
S11、沿桥梁跨径均匀设置加速度和位移传感器，并在桥梁发生涡激振动时实测桥梁位移和加速度数据；
S12、根据实测桥梁位移和加速度数据，得到桥梁的振动频率和振幅；
S13、根据桥梁几何、材料和边界特征，建立桥梁有限元模型，并组集桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵，以及分析得到桥梁的自振模态；
S14、根据桥梁的振动频率、振幅和自振模态，选取涡激力理论模型；
S15、根据桥梁的质量、刚度和阻尼矩阵建立桥梁运动方程；
S16、施加涡激力理论模型对应的单位涡激力至桥梁运动方程，得到桥梁运动方程在单位涡激力作用下的振幅；
S17、根据桥梁的振幅和桥梁在单位涡激力作用下的振幅，得到涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，其中，涡激力时程包括若干个分析步。
3.根据权利要求2所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S14中所述涡激力理论模型的涡激力FVI的表达式如下：
Figure FDA0003401273960000021
其中，ρ表示空气密度；U表示来流速度；D表示桥梁主梁横风向尺寸；CL表示主梁升力系数均方根；ω表示振动圆频率；θ表示主梁位移响应与涡激力的相位差，t表示时间。
4.根据权利要求1所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
S21、获取实测的桥梁车流运行数据，并得到车流模拟参数；
S22、获取实测的桥梁车流中车辆的几何和力学特征，并组集车辆的质量、刚度和阻尼矩阵；
S23、根据车流模拟参数，并基于元胞自动机车流模型，得到随机车流运行数据；
S24、获取实测的桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，模拟桥梁所处桥位的脉动风场；
S25、利用路面粗糙度功率谱密度函数，通过傅里叶逆变换计算得到桥梁的路面粗糙度；
S26、基于所述涡激力理论模型参数，得到桥梁涡激振动下受到的涡激力；
S27、根据随机车流运行数据、桥梁所处桥位的脉动风场、桥梁的路面粗糙度和桥梁涡激振动下受到的涡激力，建立风-车流-桥耦合系统；
S28、通过分离迭代法将风-车流-桥耦合系统分为车辆子系统和桥梁子系统；
S29、基于桥梁受到的涡激力时程，分别对车辆子系统和桥梁子系统进行动力分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，其中，车辆动力响应包括车辆子系统的位移、速度和加速度，桥梁动力响应包括桥梁子系统的位移、速度和加速度。
5.根据权利要求4所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S23包括如下步骤：
S231、建立具有周期边界的引道—桥梁—引道系统；
S232、根据引道—桥梁—引道系统和车辆模拟参数，生成随机分布的初始车流；
S233、基于初始车流和元胞自动机车流模型，得到各车辆在各分析步的运动状态；
S234、基于运动状态，得到随机车流运行数据。
6.根据权利要求4所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S24包括如下步骤：
S241、将实测桥梁所处桥位的风场中的自然风分为平均风和三个方向的脉动风；
S242、基于平均风，将三个方向的脉动风等效为稳态的高斯随机过程；
S243、根据桥梁所处桥位的风场功率谱或经验功率谱，基于稳态的高斯随机过程，利用谱解法模拟桥梁所处桥位的脉动风场。
7.根据权利要求4所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S29包括如下步骤：
S291、根据随机车流运行数据，得到当前分析步中车辆在桥梁上的位置；
S292、根据脉动风场，得到当前分析步中车辆承受的风载荷；
S293、根据桥梁位移、速度和路面粗糙度，得到车辆承受的初始车桥相互作用力；
S294、根据车辆质量、刚度、阻尼矩阵、风载荷和初始车桥相互作用力，建立车辆运动方程；
S295、基于车辆运动方程，利用数值积分法，得到当前分析步的第一次迭代车辆动力响应；
S296、根据车辆的车轮受力平衡条件，得到所述桥梁承受的初始桥车相互作用力；
S297、根据桥梁的位移、刚度、阻尼矩阵、初始桥车相互作用力和涡激力，建立桥梁运动方程；
S298、基于桥梁运动方程，利用数值积分法，计算得到当前分析步的第一次迭代桥梁动力响应；
S299、根据当前分析步的第一次迭代车辆动力响应和第一次迭代桥梁动力响应，对风-车流-桥耦合系统进行耦合振动分析，得到车辆动力响应和桥梁动力响应。
8.根据权利要求7所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S299包括如下步骤：
A1、根据当前分析步的第一次迭代车辆动力响应和第一次迭代桥梁动力响应，计算得到车辆和桥梁分别在当前分析步受到的第一次迭代车桥相互作用力和第一次迭代桥车相互作用力；
A2、判断当前分析步的第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力分别与第j-1次迭代车桥相互作用力和第j-1次迭代桥车相互作用力是否小于预设收敛条件，若是则进入步骤A7，否则进入步骤A3；
A3、根据所述涡激力时程，得到当前分析步桥梁承受的风荷载；
A4、将当前分析步的第j+1次迭代车桥相互作用力作为荷载项代入车辆运动方程，并将第j+1次迭代桥车相互作用力和风荷载作为荷载相代入桥梁运动方程，通过数值积分法分别对应得到当前分析步中第j+1次迭代车辆动力响应和第j+1次迭代桥梁动力响应；
A5、根据第j+1次迭代车辆动力响应和第j+1次迭代桥梁动力响应，计算得到车辆和桥梁分别在当前分析步受到的第j+1次迭代车桥相互作用力和第j+1次迭代桥车相互作用力；
A6、将当前分析步受到的第j+1次迭代车桥相互作用力和第j+1次迭代桥车相互作用力分别作为当前分析步的第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力，返回步骤A2；
A7、将第j次迭代车桥相互作用力和第j次车迭代桥车相互作用力分别对应的第j次迭代车辆动力响应和第j次迭代桥梁动力响应作为耦合振动分析结果，得到车辆动力响应和桥梁动力响应，完成风-车流-桥耦合系统进行耦合振动分析。
9.根据权利要求1所述的基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、根据ISO 2631标准中的人体坐姿受振模型、车辆动力响应和桥梁动力响应，建立车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型；
S32、通过车辆动力响应以及车辆动力响应与驾驶位振动分量的关系模型，计算得到驾驶位振动分量；
S33、根据驾驶位振动分量与ISO 2631标准中的频率加权函数，通过快速傅里叶变换将驾驶位振动分量转换至频域中进行加权，并通过逆快速傅里叶变换，得到驾驶位加权加速度；
S34、基于驾驶位加权加速度和ISO 2631标准中的轴加权系数，计算得到车辆驾驶员的总加权加速度方根aOVTV；
S35、基于ISO 2631标准中的舒适性等级划分表和驾驶员的总加权加速度方根，评价车流过桥的舒适性。
10.一种基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价方法的系统，其特征在于，包括涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程获取模块，用于获取涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程；
车辆动力响应和桥梁动力响应获取模块，用于基于涡激力理论模型参数和桥梁受到的涡激力时程，建立并分析风-车流-桥耦合系统，得到车辆动力响应和桥梁动力响应；
车流过桥的舒适性评价模块，用于基于车辆动力响应和桥梁动力响应，评价车流过桥的舒适性，完成基于桥梁涡激振动的车流过桥舒适性评价。
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