車--橋耦合系統(tǒng)振動的隨機特性及極值分析(U1334201).pdf

1、隨著高速鐵路系統(tǒng)的飛速發(fā)展，列車運行速度不斷提高，橋梁結(jié)構(gòu)在線路所占比重不斷提高，列車與橋梁系統(tǒng)相互作用的研究尤為重要。在列車過橋時，兩者相互作用具有很強的隨機特性。風(fēng)荷載不僅能夠增大列車和橋梁結(jié)構(gòu)的振動，其強隨機性勢必使得耦合系統(tǒng)的動力振動響應(yīng)顯現(xiàn)出很強的隨機特性。本文基于車-橋耦合系統(tǒng)動力響應(yīng)分析理論，圍繞車-橋耦合系統(tǒng)及風(fēng)荷載作用下的車-橋耦合系統(tǒng)的隨機特性及極值分析，進行了如下研究:
　　(1)首先，將虛擬激勵算法與自適應(yīng)

2、高斯積分進行結(jié)合。該組合進一步提高了時變系統(tǒng)隨機振動的計算效率，實現(xiàn)了系統(tǒng)自主分辨出荷載對結(jié)構(gòu)作用的關(guān)鍵頻率區(qū)間及不重要頻率區(qū)段，自動化地對關(guān)鍵頻率區(qū)間進行細分，明確了頻率區(qū)間對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性的影響，保證不遺漏任何一個有效頻率;對不重要頻率區(qū)段進行粗略分段或剔除，有效地減少了計算消耗，提高了計算效率。其次，基于虛擬激勵算法，推導(dǎo)得出了能夠求解不確定性結(jié)構(gòu)隨機特性的計算方法——隨機虛擬激勵算法。此方法能夠有效地考察結(jié)構(gòu)不確定性及外荷載

3、的變異系數(shù)對結(jié)構(gòu)隨機振動響應(yīng)的影響。最后，以隨機風(fēng)荷載作用下的高橋塔作為計算工況，探討了虛擬激勵算法與自適應(yīng)高斯積分結(jié)合算法的高效性和正確性，驗證了隨機虛擬激勵算法的有效性，并研究了結(jié)構(gòu)不確定性和風(fēng)荷載變異系數(shù)對橋塔結(jié)構(gòu)隨機振動響應(yīng)的影響。
　　(2)基于車輛和橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點和力學(xué)特性，運用有限元方法建立車輛和橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，避免了推導(dǎo)車輛運動方程的繁瑣過程。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，求解得到了車輛各個模態(tài)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼比?；?/p>

4、于模態(tài)疊加原理，分別建立車輛子系統(tǒng)和橋梁子系統(tǒng)的運動微分方程，采用Duhamel積分求解車-橋耦合系統(tǒng)的運動微分方程并得到精確結(jié)果。編制并驗證了車-橋耦合振動分析軟件，實現(xiàn)了軟件分析功能的多元化及分析目標(biāo)的可變性，為模型精細化建模以及計算軟件的通用性提供了技術(shù)支持。
　　(3)運用虛擬激勵算法結(jié)合自適應(yīng)高斯積分技術(shù)，求解得到了車-橋耦合系統(tǒng)的隨機特性，并運用Monte Carlo方法對計算結(jié)果進行驗證?；谒蟮民詈舷到y(tǒng)的隨機特性

5、結(jié)果，繪制得到了耦合系統(tǒng)隨機響應(yīng)的累積分布函數(shù)曲線，討論了系統(tǒng)的極值和概率分布情況。探討了車速、軌道不平順類型以及列車編組對耦合系統(tǒng)隨機特性的影響。引入了無量綱時間序列對車輛隨機振動的穩(wěn)態(tài)特性進行評價，得到了車輛穩(wěn)態(tài)隨機振動特性與車-橋耦合系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系;分析了車速對耦合系統(tǒng)隨機振動影響的內(nèi)在機理，討論了在不同車速作用下的耦合系統(tǒng)的時刻極值和時段極值。車-橋耦合系統(tǒng)具有時變系統(tǒng)特性，對車輛過橋全時段的極值進行考察更具有科研和實際工程意義

6、。研究了不同功率譜軌道不平順對耦合系統(tǒng)隨機特性的影響，不同軌道不平順在相關(guān)頻率段曲線變化一致時，所得隨機特性曲線形式保持一致。計算得到了車-橋耦合系統(tǒng)的峰值因子，峰值因子主要受到結(jié)構(gòu)特性的影響，對車速和軌道不平順種類的影響并不敏感。
　　(4)運用多樣本計算了風(fēng)荷載作用下的車-橋耦合系統(tǒng)的隨機特性，明確了軌道不平順和風(fēng)荷載激勵對耦合系統(tǒng)的作用具有相互獨立的特性。在軌道不平順和風(fēng)荷載共同作用下的耦合系統(tǒng)隨機特性方差結(jié)果等同于兩種荷載