汽車與橋梁耦合振動是影響橋梁結(jié)構(gòu)性能和行車舒適性、安全性的重要因素,相關(guān)研究可為橋梁設(shè)計和運(yùn)營維護(hù)提供理論和技術(shù)支撐。本書主要介紹汽車與橋梁耦合振動的研究現(xiàn)狀及展望,汽車與橋梁耦合振動分析理論和方法及相關(guān)計算模型的建立,橋梁車載動力性能的分析與評估,考慮隨機(jī)車流、汽車制動和曲線梁橋等特殊條件的車橋振動分析,考慮車橋振動的裝配式梁橋橫向聯(lián)系疲勞評估,考慮腐蝕與風(fēng)車聯(lián)合作用的斜拉橋拉索疲勞可靠性分析,基于車激動力響應(yīng)的橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷診斷方法,以及上述研究內(nèi)容在公路和城市橋梁工程中的應(yīng)用實(shí)例。 本書可供土木工程和交通運(yùn)輸工程等領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員參考,也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生教材和教學(xué)參考書。
本書是作者及其課題組近年來在汽車與橋梁耦合振動理論及工程應(yīng)用方面開展的主要研究工作的總結(jié)，包括了從基礎(chǔ)理論研究到工程應(yīng)用分析的一系列研究內(nèi)容，具有較高的學(xué)術(shù)價值，可為相關(guān)研究者和工程技術(shù)人員提供必要的參考和借鑒。
汽車荷載是公路和城市橋梁運(yùn)營期內(nèi)主要的外部作用，移動汽車與橋梁的動力相互作用已成為影響橋梁結(jié)構(gòu)性能、安全狀態(tài)和車輛運(yùn)行平順性等指標(biāo)的重要因素。隨著公路物流業(yè)朝著高速化和重型化方向快速發(fā)展，同時新工藝、新材料、新技術(shù)的應(yīng)用促使橋梁結(jié)構(gòu)不斷向大跨和輕型化方向發(fā)展，移動車輛引起的橋梁動力效應(yīng)越發(fā)顯著，汽車與橋梁耦合振動問題正得到越來越多的關(guān)注與重視。
近年來國內(nèi)外橋梁垮塌事故頻發(fā)，究其原因，除洪水、地震等自然因素和施工等人為因素的影響外，橋梁長期累積損傷和外部環(huán)境的聯(lián)合作用是重要的因素。工程實(shí)例表明，汽車荷載與橋梁的耦合動力行為已成為導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)性能持續(xù)劣化乃至發(fā)生惡性事故的重要影響因素，移動車輛動力作用對橋梁結(jié)構(gòu)工作性能和長期服役安全的影響問題不容忽視。同時，汽車與橋梁動力相互作用也是影響過橋車輛運(yùn)行舒適性和安全性的重要因素。此外，基于車橋耦合振動的橋梁結(jié)構(gòu)診斷與檢測研究也成為新的研究熱點(diǎn)。
基于上述背景，筆者近年來在汽車與橋梁耦合振動理論及工程應(yīng)用方面開展了一系列研究工作，本書是對其中部分工作的總結(jié)。全書共分為七章，第１章介紹了汽車與橋梁振動領(lǐng)域的相關(guān)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望；第２章推導(dǎo)建立了公路常見車型的動力分析模型，形成了基于模態(tài)綜合技術(shù)的車橋耦合振動分析方法，并開發(fā)了相應(yīng)的分析程序，進(jìn)而通過工程實(shí)例進(jìn)行了驗證；第３章依托工程實(shí)例介紹了橋梁車載動力性能分析與評價方法；第４章介紹了復(fù)雜條件下車橋振動分析方法及工程應(yīng)用實(shí)例；第５章介紹了考慮車橋振動的裝配式梁橋橫向聯(lián)系疲勞評估方法，并依托工程實(shí)例對車輛超載等多種影響因素進(jìn)行了分析；第６章在隨機(jī)車輛風(fēng)荷載橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)分析理論框架下開展了考慮腐蝕影響的運(yùn)營條件下斜拉橋拉索疲勞可靠性分析方法和使用性能預(yù)測研究；第７章將移動車輛制動作為外部激勵，提出一種聯(lián)合車橋振動和小波包分析的橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷診斷方法，并進(jìn)行了算例的數(shù)值模擬驗證研究。
本書中的研究工作先后得到了國家自然科學(xué)基金項目(５１００８１０２，５１１０８１３２，５１３０８１５６，５２０７８１６４)、黑龍江省自然科學(xué)基金項目(E２０１４３１，LH２０１９E０４９)和山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項目(２０１９ k４ １)等的資助；研究生劉佳鋒、吳志文、馬小龍、商賀嵩、夏梁鐘、楊婷婷、李朝、劉文等同學(xué)參加了部分研究工作，張振浩、施雪晴、韓仲禹同學(xué)協(xié)助進(jìn)行了書稿部分插圖的繪制和文字整理工作。長期以來課題組的相關(guān)研究工作得到了哈爾濱工業(yè)大學(xué)盛洪飛教授、美國路易斯安那州立大學(xué)蔡春聲教授、北京工業(yè)大學(xué)陳彥江教授的幫助和支持，在此一并表示衷心的感謝。
由于筆者水平有限，書中不足之處在所難免，懇請各位讀者批評指正。
李巖，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)副教授。主持國家自然科學(xué)基金項目2項、黑龍江省自然科學(xué)基金項目1項，參與國家自然科學(xué)基金項目3項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目1項、黑龍江省自然科學(xué)基金項目1項、山東省住建廳科技項目1項，山東省重點(diǎn)研發(fā)項目1項。主持橋梁工程相關(guān)橫向課題20余項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，參編教材2部。
第１章 緒論………………………………………………………………………… １
１.１ 汽車與橋梁耦合振動概述……………………………………………… １
１.２ 汽車與橋梁耦合振動研究現(xiàn)狀………………………………………… ３
１.２.１ 車橋耦合振動分析理論與數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀…………………………… ５
１.２.２ 車橋耦合振動應(yīng)用研究………………………………………………… ９
１.３ 汽車與橋梁耦合振動研究展望………………………………………… １３
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… １４
第２章 汽車與橋梁動力相互作用分析方法…………………………………… １９
２.１ 汽車動力分析模型……………………………………………………… １９
２.１.１ 汽車類型…………………………………………………………… １９
２.１.２ 車輛分析模型………………………………………………………… ２０
２.１.３ 典型車型運(yùn)動方程推導(dǎo)……………………………………………… ２３
２.１.４ 多車運(yùn)動方程………………………………………………………… ４１
２.２ 橋梁動力分析模型……………………………………………………… ４２
２.２.１ 橋梁分析模型………………………………………………………… ４２
２.２.２ 橋梁運(yùn)動方程的建立………………………………………………… ４３
２.３ 橋面不平度……………………………………………………………… ４４
２.３.１ 橋面不平順的概念…………………………………………………… ４４
２.３.２ 隨機(jī)橋面不平度的表示方法…………………………………………… ４４
２.３.３ 橋面不平度的數(shù)值模擬……………………………………………… ４７
２.４ 汽車與橋梁耦合振動分析模型………………………………………… ４８
２.４.１ 車橋耦合運(yùn)動方程的建立和求解……………………………………… ４８
２.４.２ 車橋耦合振動響應(yīng)的后處理方法……………………………………… ５３
２.５ 車橋振動分析程序及試驗驗證………………………………………… ５３
２.５.１ 車橋振動分析程序簡介……………………………………………… ５３
２.５.２ 試驗橋梁概況………………………………………………………… ５５
２.５.３ 橋梁現(xiàn)場動力試驗…………………………………………………… ５７
２.５.４ 車橋振動分析模型…………………………………………………… ５７
２.５.５ 程序驗證…………………………………………………………… ５９
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… ６１
第３章 移動汽車作用下橋梁動力性能的分析與評價………………………… ６３
３.１ 橋梁車載動力性能的評價標(biāo)準(zhǔn)………………………………………… ６３
３.１.１ 汽車對橋梁的動力沖擊系數(shù)…………………………………………… ６３
３.１.２ 行車舒適性評價指標(biāo)與方法…………………………………………… ６４
３.１.３ 行人振動舒適性評價標(biāo)準(zhǔn)…………………………………………… ６７
３.２ 工程概況與分析模型的建立…………………………………………… ６７
３.２.１ 工程概況…………………………………………………………… ６７
３.２.２ 車橋振動分析模型…………………………………………………… ６９
３.３ 橋梁動力試驗及結(jié)構(gòu)性能評價………………………………………… ７１
３.３.１ 動力試驗…………………………………………………………… ７１
３.３.２ 橋梁動力參數(shù)識別及性能評價………………………………………… ７２
３.４ 車橋振動分析模型驗證………………………………………………… ７５
３.４.１ 橋梁有限元模型修正………………………………………………… ７５
３.４.２ 車橋耦合振動分析程序的驗證………………………………………… ７６
３.５ 基于數(shù)值分析的橋梁車載動力性能分析與評價……………………… ７７
３.５.１ 移動車輛對橋梁的沖擊效應(yīng)分析……………………………………… ７７
３.５.２ 振動舒適性評價……………………………………………………… ８０
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… ８４
第４章 特殊條件下汽車與橋梁動力相互作用分析方法……………………… ８５
４.１ 基于維度時變原理的隨機(jī)車流與橋梁耦合振動分析方法…………… ８５
４.１.１ 研究背景…………………………………………………………… ８５
４.１.２ 隨機(jī)車流模擬方法…………………………………………………… ８６
４.１.３ 車橋耦合振動分析原理……………………………………………… ８６
４.１.４ 分析流程與關(guān)鍵步驟處理…………………………………………… ８７
４.１.５ 方法實(shí)現(xiàn)過程算例…………………………………………………… ８９
４.１.６ 工程實(shí)例分析………………………………………………………… ９２
４.１.７ 結(jié)論………………………………………………………………… ９６
４.２ 曲線梁橋車橋振動分析方法…………………………………………… ９６
４.２.１ 研究背景…………………………………………………………… ９６
４.２.２ 曲線梁橋車橋振動分析模型…………………………………………… ９７
４.２.３ 工程實(shí)例分析……………………………………………………… １０２
４.２.４ 結(jié)論………………………………………………………………… １１４
４.３ 汽車制動激勵下橋梁動力響應(yīng)分析方法…………………………… １１５
４.３.１ 研究背景…………………………………………………………… １１５
４.３.２ 考慮車輛制動的車橋耦合振動分析模型……………………………… １１５
４.３.３ 考慮汽車制動激勵的車橋耦合振動分析程序的試驗驗證……………… １１８
４.３.４ 汽車制動作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征分析…………………… １２１
４.３.５ 結(jié)論………………………………………………………………… １３２
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… １３３
第５章 考慮車橋振動的裝配式梁橋橫向聯(lián)系疲勞評估……………………… １３５
５.１ 面向疲勞評估的移動汽車下橋梁動力行為分析…………………… １３５
５.１.１ 典型汽車荷載……………………………………………………… １３５
５.１.２ 橋例及其有限元模型的建立………………………………………… １３７
５.１.３ 橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)疲勞熱點(diǎn)位置分析…………………………………… １４１
５.１.４ 典型重車下橫隔梁動力放大系數(shù)分析………………………………… １４４
５.２ 考慮多因素影響的既有混凝土梁橋橫隔梁的疲勞損傷評估……… １４９
５.２.１ 簡述………………………………………………………………… １４９
５.２.２ 疲勞車輛荷載譜…………………………………………………… １５０
５.２.３ 橫隔梁熱點(diǎn)部位應(yīng)力譜計算………………………………………… １５５
５.２.４ 疲勞損傷評估理論…………………………………………………… １５８
５.２.５ 隨機(jī)車載下的橫隔梁疲勞損傷評定…………………………………… １６３
５.２.６ 考慮橋面不平度狀況退化影響的橫隔梁疲勞損傷分析………………… １６７
５.２.７ 多向應(yīng)力效應(yīng)對疲勞損傷的影響分析………………………………… １７１
５.２.８ 結(jié)論………………………………………………………………… １７２
５.３ 車輛超載對橫隔梁疲勞損傷的影響………………………………… １７３
５.３.１ 車輛超限超載評定依據(jù)……………………………………………… １７３
５.３.２ 超載運(yùn)營實(shí)測數(shù)據(jù)…………………………………………………… １７５
５.３.３ 車輛超載對橫隔梁連接鋼板疲勞損傷的影響………………………… １７６
５.３.４ 超載條件下橫隔梁疲勞損傷的影響參數(shù)……………………………… １８１
５.３.５ 在役橋梁的疲勞壽命評估及運(yùn)營管理建議…………………………… １８３
５.３.６ 主要結(jié)論…………………………………………………………… １８４
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… １８５
第６章 風(fēng)車聯(lián)合作用下斜拉橋拉索疲勞可靠性分析………………………… １８７
６.１ 風(fēng)車聯(lián)合作用下大跨橋梁動力響應(yīng)的疊加分析方法……………… １８７
６.１.１ 橋例概況與有限元建模……………………………………………… １８８
６.１.２ 風(fēng)車橋系統(tǒng)的動力分析模型……………………………………… １９２
６.１.３ 風(fēng)車聯(lián)合作用疊加分析方法的原理和理論框架……………………… １９７
６.１.４ 風(fēng)車聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)疊加分析方法的適用性…………………… ２０９
６.２ 考慮雙重隨機(jī)性的風(fēng)車聯(lián)合作用下斜拉橋拉索疲勞可靠性分析… ２１５
６.２.１ 隨機(jī)交通荷載模擬…………………………………………………… ２１５
６.２.２ 風(fēng)荷載概率模型…………………………………………………… ２２０
６.２.３ 運(yùn)營條件下橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)塊的計算流程………………………… ２２２
６.２.４ 斜拉索疲勞可靠性分析方法………………………………………… ２２３
６.２.５ 算例分析…………………………………………………………… ２２５
６.３ 腐蝕對運(yùn)營斜拉橋拉索疲勞可靠性的影響………………………… ２３２
６.３.１ 考慮腐蝕影響的斜拉索疲勞抗力模型………………………………… ２３３
６.３.２ 考慮腐蝕影響的斜拉索疲勞可靠性分析方法………………………… ２３６
６.３.３ 算例分析…………………………………………………………… ２３９
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… ２４４
第７章 基于車橋耦合振動的橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷識別研究…………………… ２４７
７.１ 概述…………………………………………………………………… ２４７
７.１.１ 研究背景…………………………………………………………… ２４７
７.１.２ 研究意義…………………………………………………………… ２４８
７.２ 橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷對移動車輛下橋梁動力響應(yīng)的影響…………… ２４８
７.２.１ 支座損傷的影響…………………………………………………… ２４９
７.２.２ 橋墩損傷的影響…………………………………………………… ２５０
７.２.３ 基礎(chǔ)沖刷的影響…………………………………………………… ２５２
７.３ 基于小波包能量的結(jié)構(gòu)損傷識別理論……………………………… ２５３
７.３.１ 小波變換…………………………………………………………… ２５４
７.３.２ 小波包的基本原理…………………………………………………… ２５７
７.３.３ 小波包子空間分解…………………………………………………… ２５８
７.３.４ 小波包節(jié)點(diǎn)能量…………………………………………………… ２６１
７.３.５ 小波包能量方差變化率指標(biāo)………………………………………… ２６２
７.３.６ 小波基函數(shù)與小波包分解層的選擇…………………………………… ２６３
７.４ 基于車輛制動與小波包分解的橋梁下部結(jié)構(gòu)損傷識別方法……… ２６４
７.５ 基于WPEVVR的損傷識別方法數(shù)值分析………………………… ２６５
７.５.１ 動力響應(yīng)數(shù)據(jù)采集位置……………………………………………… ２６５
７.５.２ 支座損傷識別……………………………………………………… ２６５
７.５.３ 橋墩損傷識別……………………………………………………… ２６７
７.５.４ 基礎(chǔ)沖刷識別……………………………………………………… ２６９
７.６ 多種因素對下部結(jié)構(gòu)損傷識別的影響……………………………… ２７１
７.６.１ 橋面不平度的影響…………………………………………………… ２７２
７.６.２ 汽車制動位置的影響………………………………………………… ２７３
７.６.３ 車輛初始速度的影響………………………………………………… ２７５
７.６.４ 車重的影響………………………………………………………… ２７６
７.７ 損傷識別方法的抗噪性能分析……………………………………… ２７７
７.８ 基于損傷模式反演的基礎(chǔ)沖刷深度診斷方法……………………… ２７８
７.８.１ 多橋墩基礎(chǔ)沖刷對損傷識別指標(biāo)的耦合影響………………………… ２７９
７.８.２ 基于損傷模式反演分析的基礎(chǔ)沖刷深度診斷………………………… ２８０
７.８.３ 反演分析樣本數(shù)對識別結(jié)果的影響…………………………………… ２８３
７.９ 結(jié)論…………………………………………………………………… ２８６
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… ２８６
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