大跨度公铁平层布置桥梁风-车-桥耦合振动分析及控制研究
近年来，桥梁工程技术的发展和桥址区资源的短缺促进了公铁两用桥梁的应用。公铁平层桥梁以其独特的桥面行车风环境以及桥面上列车与汽车之间更为明显的动力干扰和气动干扰，区别于常规的公铁两用桥梁。本文围绕公铁平层桥梁的风-车-桥耦合振动及控制，进行了如下研究： （1）基于1∶20大比例尺节段模型风洞试验，研究了横风作用下公铁平层桥梁汽车-列车-桥系统的气动性能。测试并分析了四种汽车以及CRH3型列车在桥面不同位置的气动力，讨论了公路车辆超车过程中位于下游的车辆因上游车辆遮风效应引起的气动力变化，研究了来流风经过公路车辆和列车时产生的绕流效应对下游车辆的影响。 （2）基于计算流体力学数值模拟和滑移网格技术，计算了汽车与列车对向行驶以及同向追及过程中车辆的气动力变化，并使用移动车辆模型试验验证了数值模型计算的准确度。结合流场可视化技术，讨论了两车交会过程流场的变化，对两车的气动干扰机理进行了分析。进一步地，以列车风引起的压力随距离的衰减公式和随车速的变化公式为基础，对汽车各项气动力变化峰值和两车横向距离的关系以及和两车速度的关系进行了拟合。通过提出的拟合式，分析了列车速度项、汽车速度项以及速度耦合项在气动力变化幅值中的占比，明确了各个速度项对汽车气动力变化的促进以及抑制效果。 （3）针对公铁平层桥梁上车辆的气动性能，采用数值模型计算了考虑横风以及列车风作用下行驶汽车的气动力时程。采用静模型风洞试验验证了数值模型对桥面风环境模拟的准确性，采用移动车辆模型试验验证了使用的动网格技术的准确性以及桥面系构件周围网格设置的合理性。研究了汽车类型、车道位置对横风和列车风叠加效果的影响。同时，考虑到数值计算耗时较长，提出一种通过几个数值计算工况快速获取汽车在任意常规风速下与列车交会的近似气动力时程的方法。 （4）建立了考虑列车与汽车动力干扰以及气动干扰的汽车-列车-桥耦合振动模型，使用已有的铁路车桥软件以及公路车桥软件对各个计算模块进行了验证。在分析了列车引起的局部振动对汽车车道的影响后，证明了使用杆梁单元模型进行车桥耦合计算的合理性。基于提出的汽车-列车-桥耦合振动模型，讨论了列车的动力干扰、气动干扰对不同类型以及不同位置车辆的影响，分析了车辆响应极值与气动荷载曲线的关系。基于汽车响应，对提出的快速获取汽车与列车交会时的气动荷载的方法进行了调整。 （5）提出一种基于小波分析、深度学习和集成学习的超短时风速预测方法。以某复杂山区风速序列为测试样本，通过与其他多种混合模型预测精度的对比，验证了提出的超短时风速预测方法的优越性。进一步地，验证了深度信念网络的高维特征提取方法对树模型预测精度的提升以及树模型相较于深度信念网络顶层的反向传播神经网络在处理高维特征数据方面的优越性，并对比了集成学习算法中boosting算法以及bagging算法的预测精确度和稳定性。
公铁平层桥梁;风-车-桥耦合振动;气动性能;风洞试验;数值模拟;风速预测
西南交通大学
博士
桥梁与隧道工程
李永乐
2022
中文
U441.3
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）