汽车与桥梁耦合振动理论及工程应用

　　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。

　　李岩，博士，哈尔滨工业大学副教授。主持国家自然科学基金项目2项、黑龙江省自然科学基金项目1项，参与国家自然科学基金项目3项、国家重点研发计划项目1项、黑龙江省自然科学基金项目1项、山东省住建厅科技项目1项，山东省重点研发项目1项。主持桥梁工程相关横向课题20余项。发表学术论文50余篇，参编教材2部。

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