大跨径桥梁车辆荷载的随机车流多尺度模拟理论中文摘要

大跨径桥梁车辆效应影响面分布复杂、加载区域大、类型多。这与与中小桥显著不同，目前的规范难以覆盖其特点；应用现有的单一尺度随机车流模拟技术无法兼顾效率和模拟精度，并且将面临海量计算。为此，本课题探索建立随机车流多尺度模拟理论，解决大跨径桥梁车辆荷载模拟及响应分析中的基础科学问题。首先，研究车辆、车列的随机特性及等效方法， 建立由平稳车流区、跨尺度握手区和车辆微观行为模拟区组成的随机车流多尺度模型，揭示大跨径桥梁中车辆行驶与其荷载作用之间的科学规律，改善车流模拟的精度和效率。其次，研究基于广义帕累托分布区间阈值法，解决多尺度随机车流作用下，响应不满足同分布条件时的极值外推难题。最后，基于对大跨径桥梁车辆影响面特性的分析，研究多尺度随机车流的应用方法，突破效应分析海量计算的瓶颈，探索性能设计条件下加载模式的科学表达。研究成果将为大跨径桥梁车辆荷载模型建立、结构设计、管养优化提供新的基础理论。

大跨径桥梁与中小跨径的桥梁相比，具有影响面分布复杂、加载区域大、类型多等特点，这在目前的规范中难以有效覆盖。此外，基于现有单一尺度随机车流模拟技术无法实现效率和精度的权衡。 研究融合多座大跨径桥梁不同区域、不同交通运营状况和不同车道数量的公路动态称重（WIM）数据，从宏观和微观尺度对车流及荷载特性进行了细致分析，探索车流整体的流量-密度-速度耦合演化关系，建立车流密度与荷载和桥梁响应的直接关系；基于宏观尺度的交通特性，考察不同车轮加载方式（车轮、车轴、车重和等效均布车重）下桥梁荷载响应的差别，提出基于随机模糊处理的宏观车流加载方法；研究将道路与车辆融入元胞自动机体系中，将车辆减速机制、安全跟驰和换道超车等微观驾驶模型考虑进来，形成以局部车辆交通作用规则更新整体交通流演化的高效方法；最后建立多尺度随机车流模拟方法，能够基于给定桥梁效应影响线，模拟产生多尺度随机车流及荷载效应时程。 研究比较了基于区组最大值的广义极值外推和基于超阈值的广义帕累托外推方法，分析两种方法的适用条件，参数估计方法和准确性评估，确定了方法选择标准；建立了混合加载事件的预测模型，用于评估极端荷载响应，并比较混合事件的混合极值预测和组合极值预测差异性；通过数值算例、中小跨径桥梁荷载效应、大跨径桥梁荷载效应等样本，划分了加载事件类型，对广义极值分布预测模型和广义帕累托分布预测模型进行了校核，说明这些方法对长周期荷载效应极值具有很高的预测精度（误差在5%以内），而采用传统极值预测方法则会产生显著误差。 研究选取大跨径桥梁结构的典型影响线，基于影响线的分布特征（影响值、影响面积、峰值数、峰度系数、偏度系数等）提出对结构效应的科学分类方法，并提出相关分类指标；创新地以影响线特性为基础，研究影响线对于确定随机车流建模的重要性。 创新地以车道荷载效应极端相遇事件为基础，建立了多车道桥梁车辆荷载模型，该模型能够适用于任意桥梁跨径长度和影响线型式，全面改进了目前各国规范的多车道模型的理论基础。 研究成果实现了建立大跨径桥梁车辆荷载的随机车流多尺度模拟理论的总体目标，为此类结构的设计、管养评估等提供了关键的基础模型和科学方法。 2100433B

车辆荷载是影响大跨径多塔缆索承重桥结构体系安全和优化的关键问题，现有基于影响线确定加载范围及均布加载的荷载模型，未能客观反映实际运营过程中车辆和车列随机性的影响，制约多塔缆索承重桥梁设计和体系优化，亟待改进。本研究将首先基于对动态称重数据的统计和分析，完善和建立车辆和车列随机性数学模型，使其符合我国高速公路特性；编制可模拟各种情况的随机车流荷载生成程序；然后对多塔缆索承重桥进行随机车流加载，揭示其结构响应与车辆随机作用之间的科学规律，建立准确反映这一规律简化模型；研究基于短时数据外推和基于长时数据统计的随机响应极值推定方法，科学推定结构响应和设计车辆荷载的极值；最终建立基于性能设计理论的大跨径多塔缆索承重桥车辆荷载模型。研究成果将有效改进和补充多塔缆索承重桥设计车辆荷载；探索多塔缆索承重桥结构体系优化的潜在方向；也将是桥梁性能设计理论方法的重要组成部分，具有重要的科学意义和广泛的应用价值。

精确的车辆荷载模型对大跨多塔缆索承重桥结构设计、状态评估和管理养护等至关重要，目前国内外规范模型均无法准确描述和表达多塔缆索承重桥复杂的车辆响应特性，如长加载区间、多车道干扰以及复杂影响面等。 研究首先基于实测的多车道高速公路WIM数据，统计分析了多车道车辆（车重、轴重、轴载比、车速等）和车流（交通流量、密度、组成、车辆到达、多车道分布）等特性参数，建立和完善了我国高速公路车辆和车流的随机数学模型，编制了随机车流（荷载）生成程序RTFS，能基于给定交通状态和参数，生成任意周期的车流荷载；结合实测WIM数据进行了校核，验证了RTFS合成车流的可靠性和准确性。多车道车辆及荷载研究也表明，我国公路的多车道交通及荷载特性显著差别于国外经验，在规范层面不能简单借鉴国外模型。 极值外推是利用短时车辆数据预测长回归周期荷载响应极值的关键数学方法。研究从数据有效利用率、方法客观性、外推效率及准确性等角度，深入比较了主要极值外推方法的适用性，明确了底分布尾部数据走势和基础数据量（至少应选用21天实测数据）对于外推结果的重要性。研究提出了修正的经验极值外推方法，这种方法能较好地兼顾数据利用率、计算精度和效率，特别适用于多塔缆索承重桥的多车道长加载效应的外推。 提出了一套基于影响线有效加载区域、正负影响极值和正负影响面积比等指标的结构效应分类方法，从而实现了对多塔缆索承重桥的车辆响应特性的系统描述。采用合成随机车流对多塔缆索承重桥关键效应进行不同车流及交通状态的加载计算，基于总体效应、局部效应和不平衡加载敏感性等概念，科学揭示了结构响应与车辆随机作用之间的规律。研究表明，随机车流作用下结构响应远小于规范标准（10%~85%）；各荷载效应的响应极值呈现与交通参数（日均交通流量和重车比率等）和车辆运行状态显著的正相关特性；不平衡加载敏感性不同的荷载效应在响应极值规律方面具有显著差异。 创新了车辆荷载形式、布置方式及组合方法等，由此提出了考虑重车混入率、日均交通量和交通状态的修正影响的多塔缆索承重桥汽车荷载模型，并校核了相关计算和组合系数，从而建立了基于性能设计理论的车辆荷载模型。 项目研究成果实现了对于多塔缆索承重桥的实际车辆荷载响应更准确的描述和全面的表达，为此类结构的设计、管养评估等提供了关键的基础模型和科学方法。 2100433B

《车辆-桥梁时变系统随机振动——理论与工程应用》是国家自然科学基金资助项目（50678150、51008250、51308470）和教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-10-0701）的研究成果。《车辆-桥梁时变系统随机振动——理论与工程应用》针对车辆-桥梁时变系统随机振动的复杂性，将协方差分析法、摄动法和虚拟激励法引入时变系统的随机振动研究中。

《车辆-桥梁时变系统随机振动——理论与工程应用》共分8章，第1章总结了随机振动理论的研究现状及车辆-桥梁时变系统随机振动的研究现状，对随机参数结构动力学的研究现状也做了简单回顾；第2章扼要介绍随机振动基础知识；第3、4章介绍协方差分析法在车辆-桥梁时变系统随机振动研究中的应用；第5章将随机摄动法引入车辆-桥梁时变系统随机参数结构振动的研究；第6章介绍虚拟激励法的基础知识外；第7、8章将虚拟激励法引入车辆-桥梁时变系统的随机振动研究 。