大跨徑橋梁車輛荷載的隨機(jī)車流多尺度模擬理論中文摘要

大跨徑橋梁車輛效應(yīng)影響面分布復(fù)雜、加載區(qū)域大、類型多。這與與中小橋顯著不同，目前的規(guī)范難以覆蓋其特點(diǎn)；應(yīng)用現(xiàn)有的單一尺度隨機(jī)車流模擬技術(shù)無(wú)法兼顧效率和模擬精度，并且將面臨海量計(jì)算。為此，本課題探索建立隨機(jī)車流多尺度模擬理論，解決大跨徑橋梁車輛荷載模擬及響應(yīng)分析中的基礎(chǔ)科學(xué)問題。首先，研究車輛、車列的隨機(jī)特性及等效方法， 建立由平穩(wěn)車流區(qū)、跨尺度握手區(qū)和車輛微觀行為模擬區(qū)組成的隨機(jī)車流多尺度模型，揭示大跨徑橋梁中車輛行駛與其荷載作用之間的科學(xué)規(guī)律，改善車流模擬的精度和效率。其次，研究基于廣義帕累托分布區(qū)間閾值法，解決多尺度隨機(jī)車流作用下，響應(yīng)不滿足同分布條件時(shí)的極值外推難題。最后，基于對(duì)大跨徑橋梁車輛影響面特性的分析，研究多尺度隨機(jī)車流的應(yīng)用方法，突破效應(yīng)分析海量計(jì)算的瓶頸，探索性能設(shè)計(jì)條件下加載模式的科學(xué)表達(dá)。研究成果將為大跨徑橋梁車輛荷載模型建立、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管養(yǎng)優(yōu)化提供新的基礎(chǔ)理論。

大跨徑橋梁與中小跨徑的橋梁相比，具有影響面分布復(fù)雜、加載區(qū)域大、類型多等特點(diǎn)，這在目前的規(guī)范中難以有效覆蓋。此外，基于現(xiàn)有單一尺度隨機(jī)車流模擬技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)效率和精度的權(quán)衡。 研究融合多座大跨徑橋梁不同區(qū)域、不同交通運(yùn)營(yíng)狀況和不同車道數(shù)量的公路動(dòng)態(tài)稱重（WIM）數(shù)據(jù)，從宏觀和微觀尺度對(duì)車流及荷載特性進(jìn)行了細(xì)致分析，探索車流整體的流量-密度-速度耦合演化關(guān)系，建立車流密度與荷載和橋梁響應(yīng)的直接關(guān)系；基于宏觀尺度的交通特性，考察不同車輪加載方式（車輪、車軸、車重和等效均布車重）下橋梁荷載響應(yīng)的差別，提出基于隨機(jī)模糊處理的宏觀車流加載方法；研究將道路與車輛融入元胞自動(dòng)機(jī)體系中，將車輛減速機(jī)制、安全跟馳和換道超車等微觀駕駛模型考慮進(jìn)來(lái)，形成以局部車輛交通作用規(guī)則更新整體交通流演化的高效方法；最后建立多尺度隨機(jī)車流模擬方法，能夠基于給定橋梁效應(yīng)影響線，模擬產(chǎn)生多尺度隨機(jī)車流及荷載效應(yīng)時(shí)程。 研究比較了基于區(qū)組最大值的廣義極值外推和基于超閾值的廣義帕累托外推方法，分析兩種方法的適用條件，參數(shù)估計(jì)方法和準(zhǔn)確性評(píng)估，確定了方法選擇標(biāo)準(zhǔn)；建立了混合加載事件的預(yù)測(cè)模型，用于評(píng)估極端荷載響應(yīng)，并比較混合事件的混合極值預(yù)測(cè)和組合極值預(yù)測(cè)差異性；通過(guò)數(shù)值算例、中小跨徑橋梁荷載效應(yīng)、大跨徑橋梁荷載效應(yīng)等樣本，劃分了加載事件類型，對(duì)廣義極值分布預(yù)測(cè)模型和廣義帕累托分布預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了校核，說(shuō)明這些方法對(duì)長(zhǎng)周期荷載效應(yīng)極值具有很高的預(yù)測(cè)精度（誤差在5%以內(nèi)），而采用傳統(tǒng)極值預(yù)測(cè)方法則會(huì)產(chǎn)生顯著誤差。 研究選取大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的典型影響線，基于影響線的分布特征（影響值、影響面積、峰值數(shù)、峰度系數(shù)、偏度系數(shù)等）提出對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的科學(xué)分類方法，并提出相關(guān)分類指標(biāo)；創(chuàng)新地以影響線特性為基礎(chǔ)，研究影響線對(duì)于確定隨機(jī)車流建模的重要性。 創(chuàng)新地以車道荷載效應(yīng)極端相遇事件為基礎(chǔ)，建立了多車道橋梁車輛荷載模型，該模型能夠適用于任意橋梁跨徑長(zhǎng)度和影響線型式，全面改進(jìn)了目前各國(guó)規(guī)范的多車道模型的理論基礎(chǔ)。 研究成果實(shí)現(xiàn)了建立大跨徑橋梁車輛荷載的隨機(jī)車流多尺度模擬理論的總體目標(biāo)，為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、管養(yǎng)評(píng)估等提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)模型和科學(xué)方法。 2100433B

車輛荷載是影響大跨徑多塔纜索承重橋結(jié)構(gòu)體系安全和優(yōu)化的關(guān)鍵問題，現(xiàn)有基于影響線確定加載范圍及均布加載的荷載模型，未能客觀反映實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車輛和車列隨機(jī)性的影響，制約多塔纜索承重橋梁設(shè)計(jì)和體系優(yōu)化，亟待改進(jìn)。本研究將首先基于對(duì)動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，完善和建立車輛和車列隨機(jī)性數(shù)學(xué)模型，使其符合我國(guó)高速公路特性；編制可模擬各種情況的隨機(jī)車流荷載生成程序；然后對(duì)多塔纜索承重橋進(jìn)行隨機(jī)車流加載，揭示其結(jié)構(gòu)響應(yīng)與車輛隨機(jī)作用之間的科學(xué)規(guī)律，建立準(zhǔn)確反映這一規(guī)律簡(jiǎn)化模型；研究基于短時(shí)數(shù)據(jù)外推和基于長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的隨機(jī)響應(yīng)極值推定方法，科學(xué)推定結(jié)構(gòu)響應(yīng)和設(shè)計(jì)車輛荷載的極值；最終建立基于性能設(shè)計(jì)理論的大跨徑多塔纜索承重橋車輛荷載模型。研究成果將有效改進(jìn)和補(bǔ)充多塔纜索承重橋設(shè)計(jì)車輛荷載；探索多塔纜索承重橋結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的潛在方向；也將是橋梁性能設(shè)計(jì)理論方法的重要組成部分，具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

精確的車輛荷載模型對(duì)大跨多塔纜索承重橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、狀態(tài)評(píng)估和管理養(yǎng)護(hù)等至關(guān)重要，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范模型均無(wú)法準(zhǔn)確描述和表達(dá)多塔纜索承重橋復(fù)雜的車輛響應(yīng)特性，如長(zhǎng)加載區(qū)間、多車道干擾以及復(fù)雜影響面等。 研究首先基于實(shí)測(cè)的多車道高速公路WIM數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了多車道車輛（車重、軸重、軸載比、車速等）和車流（交通流量、密度、組成、車輛到達(dá)、多車道分布）等特性參數(shù)，建立和完善了我國(guó)高速公路車輛和車流的隨機(jī)數(shù)學(xué)模型，編制了隨機(jī)車流（荷載）生成程序RTFS，能基于給定交通狀態(tài)和參數(shù)，生成任意周期的車流荷載；結(jié)合實(shí)測(cè)WIM數(shù)據(jù)進(jìn)行了校核，驗(yàn)證了RTFS合成車流的可靠性和準(zhǔn)確性。多車道車輛及荷載研究也表明，我國(guó)公路的多車道交通及荷載特性顯著差別于國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，在規(guī)范層面不能簡(jiǎn)單借鑒國(guó)外模型。 極值外推是利用短時(shí)車輛數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)長(zhǎng)回歸周期荷載響應(yīng)極值的關(guān)鍵數(shù)學(xué)方法。研究從數(shù)據(jù)有效利用率、方法客觀性、外推效率及準(zhǔn)確性等角度，深入比較了主要極值外推方法的適用性，明確了底分布尾部數(shù)據(jù)走勢(shì)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量（至少應(yīng)選用21天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）對(duì)于外推結(jié)果的重要性。研究提出了修正的經(jīng)驗(yàn)極值外推方法，這種方法能較好地兼顧數(shù)據(jù)利用率、計(jì)算精度和效率，特別適用于多塔纜索承重橋的多車道長(zhǎng)加載效應(yīng)的外推。 提出了一套基于影響線有效加載區(qū)域、正負(fù)影響極值和正負(fù)影響面積比等指標(biāo)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)分類方法，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)多塔纜索承重橋的車輛響應(yīng)特性的系統(tǒng)描述。采用合成隨機(jī)車流對(duì)多塔纜索承重橋關(guān)鍵效應(yīng)進(jìn)行不同車流及交通狀態(tài)的加載計(jì)算，基于總體效應(yīng)、局部效應(yīng)和不平衡加載敏感性等概念，科學(xué)揭示了結(jié)構(gòu)響應(yīng)與車輛隨機(jī)作用之間的規(guī)律。研究表明，隨機(jī)車流作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠(yuǎn)小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（10%~85%）；各荷載效應(yīng)的響應(yīng)極值呈現(xiàn)與交通參數(shù)（日均交通流量和重車比率等）和車輛運(yùn)行狀態(tài)顯著的正相關(guān)特性；不平衡加載敏感性不同的荷載效應(yīng)在響應(yīng)極值規(guī)律方面具有顯著差異。 創(chuàng)新了車輛荷載形式、布置方式及組合方法等，由此提出了考慮重車混入率、日均交通量和交通狀態(tài)的修正影響的多塔纜索承重橋汽車荷載模型，并校核了相關(guān)計(jì)算和組合系數(shù)，從而建立了基于性能設(shè)計(jì)理論的車輛荷載模型。 項(xiàng)目研究成果實(shí)現(xiàn)了對(duì)于多塔纜索承重橋的實(shí)際車輛荷載響應(yīng)更準(zhǔn)確的描述和全面的表達(dá)，為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、管養(yǎng)評(píng)估等提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)模型和科學(xué)方法。 2100433B

《車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)——理論與工程應(yīng)用》是國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50678150、51008250、51308470）和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET-10-0701）的研究成果?！盾囕v-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)——理論與工程應(yīng)用》針對(duì)車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的復(fù)雜性，將協(xié)方差分析法、攝動(dòng)法和虛擬激勵(lì)法引入時(shí)變系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)研究中。

《車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)——理論與工程應(yīng)用》共分8章，第1章總結(jié)了隨機(jī)振動(dòng)理論的研究現(xiàn)狀及車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)隨機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀也做了簡(jiǎn)單回顧；第2章扼要介紹隨機(jī)振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)；第3、4章介紹協(xié)方差分析法在車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)研究中的應(yīng)用；第5章將隨機(jī)攝動(dòng)法引入車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)隨機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究；第6章介紹虛擬激勵(lì)法的基礎(chǔ)知識(shí)外；第7、8章將虛擬激勵(lì)法引入車輛-橋梁時(shí)變系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)研究 。