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拥堵条件下怠速车辆-桥梁耦合振动特性及影响因素研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速，城市机动车保有量持续攀升。以北京为例，截至2023年底，机动车保有量已超过700万辆，且仍保持着一定的增长态势。与之形成鲜明对比的是，城市道路基础设施的建设速度相对滞后，交通供需矛盾日益尖锐。在早晚高峰等时段，城市道路拥堵状况极为严重，车辆行驶速度缓慢，甚至出现长时间的停滞。

这种拥堵现状不仅给人们的日常出行带来极大不便，还对城市的生态环境造成了严重影响。大量车辆在拥堵状态下怠速运行，尾气排放量急剧增加，加剧了城市的空气污染，对居民的身体健康构成威胁。与此同时，拥堵还导致能源消耗大幅上升，增加了社会的运行成本。

对于桥梁而言，拥堵条件下的车辆荷载对其结构安全和耐久性产生了显著的危害。在正常交通流情况下，车辆荷载相对较为分散，桥梁所承受的压力较为均匀。然而，在拥堵状态下，车辆密集排列，桥梁局部区域会承受过大的荷载。长期处于这种超载状态，桥梁结构会逐渐出现疲劳损伤，如混凝土开裂、钢筋锈蚀等问题，严重影响桥梁的使用寿命和安全性。

车桥耦合振动研究对于桥梁安全评估和交通管理具有不可忽视的重要性。从桥梁安全评估角度来看，深入研究车桥耦合振动能够更加准确地了解桥梁在车辆荷载作用下的动态响应，包括振动位移、加速度、应力等参数的变化规律。通过这些参数的分析，可以及时发现桥梁结构中潜在的安全隐患，为桥梁的维护、加固和改造提供科学依据，确保桥梁在复杂交通环境下的安全运营。

在交通管理方面，车桥耦合振动研究成果可以为交通规划和管理提供有力支持。通过掌握车桥耦合振动的特性和影响因素，可以制定更加合理的交通管制措施，如限制车辆通行重量、控制车流量、优化交通信号灯设置等，从而减少车辆对桥梁的不利影响，提高交通运行效率，保障城市交通的顺畅。

1.2国内外研究现状

在车辆拥堵荷载模型研究方面，国外学者开展了大量具有开创性的工作。美国Michigan大学的A.S.Nowak利用安大略交通部门6万多辆货车调查数据，根据车重及轴重经验分布外推求得既有桥梁设计基准期内的车重及轴重最大值，为后续研究提供了重要的方法借鉴。瑞典AbrahamGetachew利用WIM系统测得的实际车流数据，对不同跨径(10m~35m)简支梁在汽车荷载效应进行了分析研究，提出了中小跨径简支梁桥评估车辆荷载模型，并与瑞典公路桥梁设计规范Br094中的汽车荷载效应设计计算值进行了对比，为特定类型桥梁的车辆荷载模型建立提供了实例参考。国内研究也取得了丰硕成果，北京交通大学卢文良、冯德飞研究了北京市交通拥堵状况下运营荷载分布特征，指出混合拥堵情况下实际自然车队荷载效应为设计汽车荷载效应的1.2~1.7倍，明确了拥堵对桥梁荷载效应的影响程度。大连理工大学贡金鑫等人针对非治超地区、计重收费地区和强制治超地区的车辆荷载数据进行了统计分析，建立了不同交通管制政策下的运营车辆荷载模型，预测了运营车辆荷载的发展变化态势，为不同管制条件下的桥梁设计和评估提供了依据。

车桥振动理论方面，国外研究起步较早，理论体系相对完善。日本对跨座式单轨车辆在轮轨耦合动力学方面的研究较为深入，KcnjiroGodanl等将单轨车辆的运行速度设置为4.42m/s，曲线设置为50m等半径、4％超高，仿真分析了跨座式单轨车辆曲线通过性能，为单轨车桥耦合振动研究提供了基础数据。C.H.Lee等人将车体简化为15个自由度的车辆模型，提取桥梁有限元模型的模态结果，建立车桥系统的三维有限元模型，并导出了车-桥系统的动力学方程，研究了列车速度、乘客人数等参数变化对车辆舒适性的影响，拓展了车桥振动理论的研究范畴。国内对车桥振动理论的研究也在不断深入，西南交通大学等高校在相关领域开展了大量研究工作，结合国内交通实际情况，对车桥振动理论进行了创新和完善，提出了适用于不同桥梁类型和交通条件的车桥振动分析方法。

在分析方法与技术上，早期的车桥耦合振动研究多采用实桥现场测试来获取对系统响应的规律性认识，如2004年前后，西南交大结构工程试验中心与ChangHunLee等学者各自对不同的跨座式单轨线路开展现场动载测试，获取了宝贵实测数据。随着计算机技术的飞速发展，现阶段车桥耦合振动研究方式发展为理论仿真分析为主、现场试验作验证的思路。文献采用计算机语言编制计算程序、使用MATLAB等编程，进行车桥动力响应的数值计算；同时，ANSYS、SIMPACK等专业软件也广泛应用于车桥耦合振动分析，能够建立更加精细的车辆和桥梁模型，模拟各种复杂工况下的车桥耦合振动。

尽管国内外在上述方面取得了显著成果，但仍存在一些不足。在车辆拥堵荷载模型方面，现有模型对复杂交通场景和特殊车