一种大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法

本发明属于桥梁结构动力响应分析领域，涉及一种大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法。

背景技术：

1、铁路运输凭借大运量、高时效、低能耗等优势，成为支撑区域经济联动发展的核心纽带。随着我国高速铁路网向山区延伸，受复杂地形限制，大跨度拱桥凭借优异的地形适配性和承载能力，成为山区铁路的主流桥型。然而，山区峡谷地形剧烈起伏，桥址区风场呈现极强的非平稳性、空间异质性和非高斯特性，与平原地区均匀平稳风场存在本质差异。列车在桥梁区段运行时，同时承受横风荷载与桥梁耦合振动作用，脱轨、倾覆风险显著提升，因此开展精细化的风-车-桥耦合振动分析，对保障山区铁路运营安全具有重大工程意义。

2、目前，针对风-车-桥耦合振动的分析方法已取得一定进展，但仍存在以下亟待解决的技术缺陷：

3、（1）风荷载取值忽略拱桥关键构件间的气动干扰，导致耦合模型输入精度不足。现有风-车-桥耦合研究多采用主梁孤立模型的气动力系数来计算桥梁风荷载，这种方法对于悬索桥、斜拉桥等轻柔结构尚可适用，但山区大跨上承式拱桥存在拱肋、拱上立柱与主梁的复杂空间组合。传统方法完全忽略了拱肋与不同位置拱上立柱对主梁的协同气动干扰效应，导致主梁气动力系数取值失真。相关分析表明，在考虑拱肋、拱上立柱与主梁等多构件气动干扰后，主梁阻力系数、升力系数及力矩系数均可能相较于孤立主梁断面发生明显变化；若仍直接采用孤立主梁气动力系数计算桥梁风荷载，可能导致风荷载输入偏离实际受力状态，难以满足精细化风-车-桥耦合振动分析需求。

4、（2）风场模拟多采用平稳脉动风，与山区实际非平稳风环境不符。现有部分风-车-拱桥耦合分析中，仍采用传统的平稳脉动风来模拟桥址风场，忽略了山区峡谷风场受地形约束产生的时变平均风速、强阵风等非平稳特性。这种平稳假定会导致模拟的风速时程与实桥风环境存在偏差，进而使车桥耦合动力响应计算出现误差，无法真实反映强非平稳风作用下列车与桥梁的极端振动响应。

5、（3）缺乏针对山区拱桥的车-桥刚柔耦合精细化建模方法。现有风-车-桥耦合研究大多面向大跨度悬索桥和斜拉桥，对于山区大跨拱桥的耦合振动分析相对匮乏。同时，传统建模方法往往将桥梁简化为纯刚体或采用简单的梁单元，未能充分考虑大跨度拱桥柔性体特性与列车多体动力学的精细耦合，且较少系统集成非平稳风荷载与轨道不平顺激励，导致模型保真度不高。

6、（4）列车安全运营的风速-车速控制边界界定不清。由于前述风荷载精度不足、风场模拟失真以及耦合模型简化，现有分析方法难以准确量化非平稳风速与列车运行速度对系统动力响应的耦合放大效应。尤其是缺乏对轮重减载率等核心敏感指标在强风区间非线性畸变规律的揭示，导致无法科学划定不同车速下保证列车安全运营的临界风速阈值，给山区铁路大风环境下的运营管控与预警带来了困难。

7、综上所述，现有技术中缺少一种能够真实反映山区峡谷非平稳风特性、充分考虑拱桥多构件气动干扰、并实现车-桥刚柔耦合精细建模的振动分析方法，导致列车过桥安全评估不准、限速边界模糊。因此，亟需建立一种非平稳脉动风场下风-车-桥耦合振动分析方法，以攻克上述技术难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明为了解决现有技术在进行风-车-桥耦合振动分析时，普遍存在风场模拟忽略山区峡谷非平稳特性、风荷载取值忽略拱桥多构件气动干扰、耦合模型缺乏车-桥刚柔精细化建模，导致列车安全运营的风速-车速控制边界界定不清的问题，提供一种大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法，包括以下步骤：

4、s1、非平稳脉动风作用下的山区大跨拱桥车桥风荷载分析；具体包括：s11、分析山区峡谷风场的空间特性，采用谐波合成法并引入非平稳调制函数，采用相干函数模拟拱桥不同空间位置处的非平稳脉动风场，生成全桥多个点位在顺风向和竖风向的非平稳脉动风速时程；s12、基于cfd数值模拟，计算主梁-拱肋-拱上立柱相互气动干扰对主梁气动力特性的影响，获取不同风攻角下考虑气动干扰的主梁静力三分力系数，并通过列车模型cfd数值模拟计算得到列车气动力系数；s13、结合步骤s11模拟的非平稳脉动风场及步骤s12获取的车桥气动力系数，计算气动干扰下桥梁不同位置、不同风速时受到的非平稳风荷载，以及列车受到的非平稳风荷载；

5、s2、非平稳脉动风场下风-车-桥耦合振动分析；具体包括：s21、利用ansys apdl软件构建桥梁的精细化有限元模型，并在simpack软件中建立列车动力学模型再将桥梁的有限元模型与列车动力学模型在simpack中进行集成，并通过确立轮轨接触关系和输入轨道不平顺，构建车-桥刚柔耦合模型；s22、将步骤s13得到的非平稳风荷载作为外部激励施加于步骤s21构建的车-桥刚柔耦合模型中，建立基于simpack与ansys联合建模仿真的非平稳风-车-桥耦合模型；s23、基于步骤s22构建的非平稳风-车-桥耦合模型得到不同风速和车速工况下列车和桥梁的动力响应，进行行车安全性分析。

6、本发明的有益效果在于：

7、1、本发明所公开的大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法，通过分析山区峡谷风场的空间特性，引入非平稳调制函数并结合相干函数模拟拱桥多点非平稳脉动风场，克服了传统平稳风模拟与山区实际风环境不符的缺陷，能够真实反映桥址区风场的时变特性和空间异质性，为风-车-桥耦合振动分析提供了高精度的风环境输入。

8、2、本发明所公开的大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法，通过cfd数值模拟量化了拱肋、拱上立柱与主梁之间的多构件协同气动干扰效应，获取了考虑气动干扰的主梁气动力系数，并据此计算桥梁不同位置的非平稳风荷载，解决了现有方法中忽略拱桥关键构件气动干扰导致风荷载取值失真的问题，显著提升了风荷载计算的精细化程度。

9、3、本发明所公开的大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法，基于ansys与simpack联合仿真，采用guyan缩减法进行桥梁模态缩减，利用flexmodal模块通过虚拟刚体实现车-桥刚柔耦合，并同步集成非平稳风荷载与轨道不平顺激励，构建了高保真的非平稳风-车-桥耦合动力学模型，突破了传统建模中桥梁柔性特征和外部激励考虑不足的局限。

10、4、本发明所公开的大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法，通过系统性地开展多组风速与车速组合的工况仿真，能够准确捕捉强风区间列车安全性指标的非线性畸变规律，科学划定不同列车车速下允许通行的风速限值，明确了列车安全运营的风速-车速控制边界，为山区铁路大风环境下的运营管控与预警提供了可靠的理论依据。

11、5、本发明所公开的大跨拱桥非平稳脉动风场下的风-车-桥耦合振动分析方法，将气动干扰效应、非平稳风场特性以及车-桥刚柔耦合机制有机结合，形成了一套完整的非平稳脉动风场下风-车-桥耦合振动分析方法，不仅适用于山区大跨拱桥，也可为类似复杂风环境下的铁路桥梁行车安全评估提供通用的技术框架。

12、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。