一种考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法

本发明涉及车辆桥梁耦合振动领域，尤其涉及一种考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法。

背景技术：

1、随着悬索桥跨度的一次次突破，主梁结构形式越发复杂且逐渐向着低阻尼方向发展，这种结构对风作用比较敏感，容易诱发涡振。涡振一直是大跨度悬索桥结构设计和建设中面对的重要课题，受到极高的关注。

2、对于铁路桥梁，由涡振引起的桥梁周期性振动不仅会引起结构疲劳，还会影响列车在桥上的运行平稳性，竖向涡振引起的桥面变形会严重恶化列车运行的动力性能，降低列车乘坐舒适性，严重情况下甚至会危及列车的行车安全性。因此，需要在桥梁设计阶段对桥梁的抗风能力以及行车平稳性进行评估。而桥梁发生涡振下的列车行车安全评估，包括了桥梁静态特性、涡振动态特性、列车动力学特性、风环境等多个复杂因素，其中风环境也包括了平均风与脉动风等要素，各系统又相互影响，对其进行科学准确的评估难度较高。

3、因此，提出一种考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是评估桥梁发生涡振的情况下，高速铁路列车的行车安全性以及乘坐舒适性，进而提出高速铁路桥梁合理设计参数及技术标准等，提出一种考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法。

2、为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

3、s1、获取桥梁基本信息，建立桥梁有限元模型，计算桥梁自振特性；

4、s2、计算桥梁发生涡振的情况下各节点位置处的位移时程；

5、s3、将桥梁各节点位置处的位移时程与列车车速融合，获得列车过桥时的动态线形；

6、s4、建立风车桥耦合系统；

7、s5、将列车过桥时的动态线形作为附加不平顺引入风车桥耦合系统，评估列车响应。

8、进一步地，桥梁基本信息包括桥梁节点位置、单元信息、材料与截面和支撑与约束。

9、进一步地，步骤s1具体包括：

10、s11、获取桥梁基本信息，建立桥梁有限元模型；

11、s12、根据空间梁单元的单元刚度矩阵、单元质量矩阵线性组合得到阻尼矩阵；

12、s13、利用空间梁单元的质量矩阵、刚度矩阵，采用子空间迭代法获取桥梁振型特点及其周期频率，得到桥梁自振特性。

13、进一步地，步骤s2具体包括；

14、s21、根据桥梁自振特性建立桥梁自振特性表，确定桥梁发生涡振的振型与周期，得到桥梁的振型函数；

15、s22、根据桥梁发生涡振情况下的振幅最大值，将桥梁的振型函数对应至每一桥梁节点，获得桥梁各节点位置处的位移时程。

16、进一步地，步骤s3具体包括：

17、s31、根据桥梁上列车运行速度，使列车每一时刻的竖向空间位置等同于该桥梁节点位置处的位移；

18、s32、根据桥梁各节点位置处的位移时程和桥梁的主梁某一阶竖向涡振模态周期，计算桥梁某一里程处的轮对竖向位移，将桥梁某一里程处的轮对竖向位移作为列车过桥时的动态线形。

19、进一步地，步骤s4具体包括：

20、s41、获取车辆信息，包括车体、轮对和转向架的质量、刚度和阻尼信息，根据桥梁、车辆信息建立列车子系统、桥梁子系统的运动学方程；

21、s42、输入轨道不平顺，通过车-桥相互作用关系获得运动方程右端荷载项的列车子系统与桥梁子系统的作用力；

22、s43、输入平均风速与脉动风场信息，以及车辆桥梁三分力系数，计算作用在桥梁和列车上的静风力和抖振力；

23、s44、将桥梁在静风力作用下的静风升力、阻力和扭矩，以及抖振力作用下的抖振升力、阻力、扭矩，以及列车受到的风荷载，施加至列车子系统、桥梁子系统的运动学方程右端，作为风荷载作用在列车与桥梁的力，获得风车桥耦合系统运动方程；

24、s45、通过newmark-β法对风车桥耦合系统运动方程进行数值积分方法求解，获取车辆响应。

25、进一步地，步骤s5具体包括：

26、s51、将涡振下列车行车动态线形叠加至风车桥耦合系统运动方程中作为附加不平顺，求解获得桥梁、车辆动力学响应；

27、s52、利用风车桥耦合系统运动方程进行求解，获取桥梁列车动力响应评价指标的响应值，评价列车安全性与平稳性。

28、本发明的有益效果为：

29、本发明通过获取桥梁信息，计算其涡振下的位移时程特点；然后从空间位置出发，将列车车速参数与桥梁位移时程进行融合计算。建立了风-车-桥耦合分析系统，考虑了风荷载的作用。将列车在桥梁发生涡振时的运行空间位置作为附加不平顺计入动力耦合系统，充分考虑桥梁涡振的作用，对整个车桥系统的动力响应影响并进行了评估。

30、本发明中对列车经过发生涡振的桥梁过程进行了数学分析，从空间位置出发，融合力学、运动学等方法，对此车桥耦合问题进行了求解。现有技术中桥梁涡振下行车性能的评估相对缺失，而本发明充分考虑了风-车相互作用、风-桥相互作用和桥梁涡振的影响。

技术特征：

1.一种考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括：

3.根据权利要求1所述的考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括；

4.根据权利要求1所述的考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，其特征在于，步骤s3具体包括：

5.根据权利要求1所述的考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，其特征在于，步骤s4具体包括：

6.根据权利要求1所述的考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，其特征在于，步骤s5具体包括：

技术总结
本发明公开了一种考虑桥梁涡振的风车桥耦合计算方法，包括如下步骤：S1、获取桥梁基本信息，建立桥梁有限元模型，计算桥梁自振特性；S2、计算桥梁发生涡振的情况下各节点位置处的位移时程；S3、将桥梁节点位移与列车车速融合，获得列车过桥时的动态线形；S4、建立风车桥耦合系统；S5、将列车过桥时的动态线形作为附加不平顺引入风车桥耦合系统，评估列车响应。本发明通过建立风车桥耦合分析系统，并考虑风荷载的作用，以及将列车在桥梁发生涡振时的运行空间位置作为附加不平顺计入动力耦合系统，充分考虑桥梁涡振的作用，可以评估桥梁发生涡振的情况下，高速铁路列车的行车安全性以及乘坐舒适性。

技术研发人员：李小珍,贺浩楠,王铭,赵世豪,王矗烽,郑禹豪
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29