风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究.docx
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风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究
风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究
...
空气动力学学报
第卷第期.,年月
文章编号:
?
一一
风环境下行驶于大跨度桥梁上的
车辆安全评价及影响因素研究
韩万水,陈艾荣。
.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室,陕西西安;.同济大学桥梁工程系,上海
摘要:
建立了风环境下行驶于振荡桥梁上的车辆受到侧向突发阵风时的车辆安全性分析方法。
定义了包括侧
醯、侧滑和偏转在内的三种风致车辆事故。
在综合考虑路面粗糙度、车辆悬挂系统以及车轮相对于桥面侧向相对
滑动的基础上。
提出了能够考虑桥梁的静风响应、抖振响应、汽车一桥梁耦合振动、系统的时变特性以及结构几何
非线性和气动荷载非线性影响的风一汽车一桥梁系统空间耦合分析模型,编制了相应的分析程序。
以杭州湾跨海
大桥为工程实例,运用所编制的程序研究了路面粗糙度、风速以及于、湿、雪、冰路面状况对行驶于桥梁上的车辆安
全性的影响,给出了典型车辆在桥梁上发生事故的临界风速,并与车辆行驶于路面上的相应值进行了对比;对比表
明:
振荡的桥梁会降低车辆发生事故的临界风速。
关键词:
风一汽车一桥梁系统;侧向突发阵风;风致车辆事故;安全评价;临界风速
中图分类号:
.文献标识码:
该区的气象条件,尤其是风环境下大桥上通行车辆的
引言
行车安全以及通行效率研究变得至关重要。
因此,为
了建立灾害天气下大桥行车安全评估方法,进而制定
强风作用下行驶于振荡桥梁上的车辆安全性和
行车安全风速标准,交通部交通科技计划资助开展了
舒适性研究不仅是一个科学问题,同时关于强风作用
“灾害天气对杭州湾跨海大桥行车安全的影响和对
下关闭交通的临界风速标准的确定更是一个影响广
策”专题研究,本文正是该研究中风环境下行驶于大
泛的社会问题。
如果桥梁上发生风致行车事故,不仅
桥上的车辆安全评价方面的研究成果。
仅会因车辆破坏、桥梁损毁、人员伤亡、交通中断、货
物人员滞留等带来直接和间接的经济损失,还会影响
风一车一桥系统空间耦合振动分析框架
受众的心理,让其出行时另择它路,甚至还会带来极
.时域颤抖振分析
为不良的社会影响。
为了减少大风天气下桥梁上的
交通事故,有关部门已经采取了一些措施,如制定车
作者首先通过对现有谐波合成法进行改进,
辆行驶限制车速,以及在自然风达到一定风速等级时
采用三次拉格朗日多项式插值近似来减少对互谱密
关闭交通。
臼前,车辆行驶的车速限制也好,关闭交
度矩阵.∞的分解次数,提高谐波合成法的计算效
通措施也罢,相关指标的确定和决策都缺少量化的理
率,成功实现了大跨度桥梁三维空间脉动风场的模
论数据支撑。
故而,通过大风所致车桥系统的动力响
拟,编制了可以考虑主梁、斜拉索和桥塔上的脉动风
应研究,对风环境下桥梁上通行车辆的行驶安全性及
荷载、结构的几何非线性和气动荷载非线性等因素影
舒适性做出合理地评价是至关重要的。
杭州湾大桥
响的抖振时域分析程序。
位于杭州湾海域处,连接嘉兴和宁波两市,全桥总长
.风一汽车相互作用
约.,建成后将成为目前世界上最长的跨海大
.可以考虑侧滑运动的三维汽车模型
桥。
杭州湾海域是风、雾、雨和雪等灾害天气的多发
车辆动力学模型中通常将车体、车轴、车轮等视
地带,加上湾口喇叭状地形形成的“狭管效应”,使得
收稿日期:
~?
;修订日期:
一?
.
基金项目:
国家自然科学基金基金项目、交通部交通科技计划资助
作者简介:
韩万水一,男.河南开封人,博士,讲师。
从事风一车一桥耦合振动研究....第期韩万水等:
风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究
作刚体,刚体之间通过弹性元件和阻尼元件相互连对于两轴车辆,车辆安全性分析时有个自由度。
接。
对于两轴四轮车辆,整个车辆可以分成个刚体以下部分将以一个车轮为例,详细介绍风一汽车一桥
部件:
个车体、个车轮,刚体之间通过弹性元件和
梁系统安全分析中车轮与桥面接触处侧向耦合关系。
阻尼元件相互连接如图所示。
每个车轮对具有
个独立的自由度:
横移和竖移。
车体具有个自由
度:
横移、浮沉、侧滚、点头及摇头。
为了研究车辆突
然受到侧风引起的驾驶方向偏离,将车辆轮胎与桥
路面接触点的侧向位移作为独立自由度【。
图桥梁与车轮的几何耦合关系.车轮的侧滑力可以由车轮上的竖向力近似表
达。
一一?
,,
式中,为侧滑摩擦系数,负号表示侧滑力始终抵抗
图三维车辆模型
轮胎相对于桥面的侧向运动;厶为第个车轮相对.?
于主梁的侧向速度;为第个车轮与桥面的竖向
..路面粗糙度模型
接触力。
路面粗糙度可表达为功率谱密度函数的随机过
△?
?
程模拟。
路面粗糙度假设为零均值平稳高斯随机过
程。
因此可以用逆傅立叶变换产生
式中,为车轮与桥面独立自由度的侧向速度,
?
?
?
?
?
?
:
一
为车轮第个接触点处主梁的侧向速度。
一
√△声
第个接触点处主梁的侧向位移和速度可以表
式中,为路面粗糙高度的函数。
/
示为一玉;声为分散频率/;为从~均匀
一
分布的随机相位。
矗玉
口...作用于车辆上的风荷载
式中,为从桥梁单元结点位移转换至第个
作用于车辆上的风荷载主要包括气动力和气动
接触点处主梁的侧向位移的传递函数,为车辆驾
力矩,即阻力、侧力、升力、倾覆力矩、翻转力矩、偏转
驶速度。
力矩。
具体的计算方法如下:
首先假定车辆以恒定速
竖向力由下式得到
度行进,作用于车辆上的平均风和紊流风
一之一乞一如,_垂直于道路的纵轴,就可以得到风速与车辆的
方程可以用一个新变量表示:
相对速度及偏角,然后分别乘以相应的车辆气
?
动力系数。
在同济大学一风洞中,对桑塔纳、长型
箱式货车和一汽佳宝的等典型车辆的车模进行了风
式中的可以视为安装于第个车轮与主梁之间
洞试验,获得了典型车辆的气动力系数。
的侧向粘滞阻尼器的阻尼系数,这个特殊阻尼器与一
般阻尼器最主要的区别在于特殊阻尼器的阻尼系数
.风一汽车一桥梁系统安全分析耦合关系
由车轮竖向接触力确定,而车辆竖向接触力依赖于方
风一汽车一桥梁系统安全性分析中,由于车辆受
程表示的车辆与桥梁的竖向耦合运动,因此,在每
到侧风将发生相对侧向和偏转位移,并以此来判断车一
时间步内,必须要对进行迭代直至收敛。
辆是否会发生侧滑或偏转事故,因此车轮相对于主梁
.风一汽车一桥梁系统运动方程及求解
的侧向位移应该在安全性分析中予以考虑,即考虑车
轮与桥面的侧向独立自由度、、和,因此
风一汽车一桥梁系统中,风一汽车系统问的相互空气动力学学报第卷
直至桥梁响应和/都满足收敛要求。
作用仅考虑准定常力,风一桥系统间的耦合通过对自
激力的迭代来实现,汽车一桥梁系统间的耦合通过汽根据时刻桥梁响应,重复~直至车辆
车、桥梁两子系统间的分离迭代来实现。
风一汽车一与桥梁的几何耦合关系及力学耦合关系满足要求,再
桥梁系统运动方程可表示为进行下一时步的计算。
一曲曲西
风致车辆事故模型一【.风致车辆事故的灾后调查表明:
当车辆遭受到突
式中:
蚰、、曲分别表示作用于桥梁上静力风荷发侧向阵风作用时,车辆最容易发生事故。
一般情况
下,车辆事故有以下三种情况,一为车辆发生侧翻,二
载、抖振风荷载及自激风荷载;表示作用于车辆上
为车辆发生大幅度的侧滑,三为车辆发生大幅度旋
风荷载;、分别表示汽车一桥梁系统间的相互
转。
因此,对车辆事故的认定进行了量化:
当
作用力。
车辆突然受到侧风的.的时间内,当车辆的迎风
采用分离迭代法求解风一汽车一桥梁系统运动
方程过程中,在每一时步内,不仅自激力要满足收敛侧的任一车轮与路面的竖向接触力为零,就会发生侧
翻事故;当车辆侧向位移超过.,就会发生侧滑事
而且特殊阻尼器的阻尼系数也要满足收敛,分离
故;当车辆偏转位移超过.,就会发生偏转事
迭代法求解风一汽车一桥梁系统运动方程的具体步
骤如下:
故。
应该指出,以上对车辆事故的定义是偏于保守
的,主要是由于其基于以下几个假定:
首先,驾驶员对于时间步,将前一时步桥道运动状态
,作为初始迭代值,组合_时刻的路面在车辆突然受到侧风的.的时间内对车辆的侧向
粗糙度;和偏转位移不会做出任何反应。
其次,车辆所受风荷根据路面粗糙度求车辆受到的作用力及车辆载为突发侧向阵风。
再次,车辆突然受到侧风的.
所受风荷载;的时间内的车辆气动力系数是恒定的。
计算_时刻桥梁结构和车辆的响应:
杭州湾跨海大桥北航道桥行车安全分析根据前一时步车辆的运动状态,
计算/己,,形成车辆的阻尼矩阵;杭州湾跨海大桥北航道桥是一座双塔双索面斜
拉桥,跨径布置为。
杭根据积分法求_时刻车辆的响
应,,;州湾跨海大桥道路通行要求高,全线采用双向六车道
高速公路标准建设。
计算车桥相互作用力,桥梁静风力和抖振
力;杭州湾跨海大桥北航道桥车桥耦合振动分析结
果表明:
当车辆经过主跨跨中时,车辆的响应达到根据_一时刻桥梁结构的响应:
极值。
因此,当车辆行驶至主跨跨中时,车辆突然受
求当前时刻桥梁自激力;形成荷载阵,采用积分法求桥到侧风时为最不利工况。
具体计算方案如下:
三个车
列并排进入桥梁,车列一、车列二和车列三分别行驶
梁时刻响应;
在车道一、车道二和车道三上。
每个车列由十辆车组根据桥梁和车辆_时刻响应,重复~
一~
.
图斜拉桥上风致车辆事故计算示意图.?
?
第期韩万水等:
风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究成,车辆间距为。
计算从第一排车的质心进入桥向位移响应主要由振荡的桥梁所控制。
当车辆不受
梁点开始,当车辆进入桥梁后,行驶在外侧车道侧风作用时,行驶于路面上的车辆侧向和偏转位移响
车道三上的车辆受到侧风作用,而车列一和车列二应始终为,而行驶在桥梁上车辆会产生侧和偏转位
的车辆由于受到车列三的车辆遮挡将暂不考虑侧风移响应。
行驶于桥梁上对应于.时的最大侧向和
作用。
桥梁从初始计算时就受到静风力、抖振力和自偏转位移响应明显大于行驶于路面上的相应值。
以
激力的共同作用。
当内侧车道车列一的第一个车侧向位移为例,行驶于路面和桥梁上对应于.时
的侧向位移分别为.和.,后者是前者
辆到达主梁跨中时,假定其突然受到侧风作用,计算
时间再持续.全部结束。
为了使车辆行驶于路面的.倍。
上和桥梁上的响应具有可比性,将车辆行驶于路面上由图可见,在前内,行驶在杭州湾跨海大桥
与桥梁上的粗糙度样本取为完全一致。
上的车轮竖向接触力比行驶在路面上的竖向接触力
波动幅度略有增加,但总体上相差不大。
当车辆突然
.行驶于路面和桥梁上的车辆安全性对比
受到侧风作用时,迎风侧号车轮竖向接触力显著减
为研究振荡的桥梁对车辆行车安全性的影响,将
小而背风侧号车轮竖向接触力明显增加,且行驶于
车辆行驶在路面上和杭州湾跨海大桥上的响应进行桥梁上的车轮竖向接触力的增加或减小幅度大于行
蜂蟹辩廿妒∞
对比,计算中车速为/,侧向阵风的平均风速驶于路面上的相应值。
以迎风侧号车轮竖向接触越鞲恒
为/,路面粗糙度为好。
计算结果分析时仅对车力为例,车辆突然受到侧风作用时,行驶于路面和桥
勰加
辆行驶于路面上和桥梁上的最后以及突然受梁上的最小值分别为.和.,由此可见,
振荡的桥梁将降低车辆发生事故的临界风速,但对于
到侧风作用.的响应进行提取。
由图可见,行驶于桥梁上的竖向位移显著大于杭州湾跨海大桥而言,迎风侧车轮最小接触力降低幅
行驶于路面上的相应值,这说明车辆行驶于桥梁的竖度不大。
蜷密
耱
图行驶于路面和桥梁上的车轮竖向接触力对比..路面粗糙度对车辆安全性的影响
计算中考虑三种粗糙度情况:
非常好、好及一般,
车速为/,侧向阵风的平均风速为/。
由
图行驶于路面和桥梁上的车辆质心位移响应对比
图可见,路况越差,接触力波动越显著。
当车辆突.然受到侧向阵风时,不论是迎风侧号车轮竖向接触力的减小程度还是背风侧号车轮竖向接触力的增空气动力学学报第卷
恒蜷辑抖∞
阻蜷刁毒∞
曩砰
加程度,均随着粗糙度的变坏而增加。
当路况分别为于/、/和/时的号车轮最小接触墨鞑
∞谗
一
勰加
般、好、很好时,号车轮接触力的最小值分别为力分别为.、.和.。
.、.和.。
即路况越差,号车轮
.路况对车辆安全性的影响
接触力最小值越小,车辆发生事故的临界风速越低。
计算中考虑干、湿、雪和冰四种路面情况,侧滑摩
旧
擦系数取值分别为.、.、.和.。
车速
誊聋薹
为/,侧向阵风的平均风速为/。
心辅由图可见,干、湿、雪和冰四种路面情况几乎不影响车轮竖向接触力和车体的竖向位移而对车辆的侧向和偏转位移响应影响显著,随着路面摩擦系数的
减小,车辆的侧向位移和偏转位移响应都显著增加。
暴圣
图不同路面租糙度车轮与桥面竖向接触力._
、.风速对车辆安全性的影响
厦
罄
计算中风速分别取为/、/和/,
车速为/,路面粗糙度为好。
由图可见,在前内,随着风速的增加车辆竖
向接触力的波动略有增加。
当车辆突然受到侧风时,\
迎风侧号车轮接触力减小程度和背风侧号车轮
毯
接触力增加程度均随着风速的增加而增加。
如对应
厦
尽
幕
口
牮
辩图不同路况车辆的动力响应.
由表~表可以看出,车辆行驶于桥梁上发生
图不同风速下车轮与桥面竖向接触力事故的临界风速小于行驶于路面上的相应值,即振荡.
的桥梁会降低车辆发生事故的临界风速,但由于杭州第期韩万水等:
风环境下行驶于大跨度桥梁上的车辆安全评价及影响因素研究
湾跨海大桥跨度不太大,整体刚度较大,因此,车辆发用下箱式货车发生的事故以侧翻事故为主,只有在高
生事故的临界风速降低幅度不大;对于给定车速,路风速下才有发生侧滑事故的可能,高风速下车辆发生
况越差,车辆发生侧翻事故的临界风速越低;侧风作侧滑事故的概率随着路面摩擦系数的减小而提高。
表箱式货车行驶在路面上和桥梁上发生事故临界风速对比岫.仰锄
表注:
代表侧翻事故,代表侧滑事故。
表箱式货车行驶在路面上和桥梁上发生事故临界风速对比
表箱式货车行驶在路面上和桥梁上发生事故临界风速对比Ⅱ..咖
辆发生侧翻事故的临界风速越低;干、湿、雪、冰路面结语
情况几乎不影响车体的竖向响应而对车辆的侧向和在考虑侧风引起的车轮相对于桥面侧向相对
偏转响应影响显著;侧风作用下箱式货车发生的事故
滑动基础上,提出了一个较为完善的风一汽车一桥梁
以侧翻事故为主,只有在高风速下才有发生侧滑事故
系统空间耦合分析模型,编制了相应的分析程序。
定
的可能。
义了包括侧翻、侧滑和偏转在内的三种风致车辆事
故。
建立了风环境下行驶于振荡桥梁上的车辆受到
参考文献:
侧风时的车辆安全评价体系,并计算出了杭州湾跨海
大桥安全行车标准,为相关部门在强风天气下采取相韩万水.风一汽车一桥梁系统空间耦合振动研究.博
应措施提供了参考。
士学位论文.上海:
同济大学,..杭州湾跨海大桥风致行车安全分析表明:
振?
?
?
荡的桥梁会降低车辆发生事故的临界风速,但对于杭.,,州湾跨海大桥而言,结构整体刚度较大,车辆发生事韩万水,陈艾荣,胡晓伦.大跨度斜拉桥抖振时域分析理
故的临界风速降幅不大;对于给定车速,路况越差,车论实例验证及影响因素分析.土木工程学报,,
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- 环境 行驶 跨度 桥梁 车辆 安全评价 影响 因素 研究
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