(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210835926.7 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 长沙理工大 学 地址 410114 湖南省长 沙市长沙理工大 学 (72)发明人 殷新锋　晏万里　刘扬　鲁乃唯　 周勇　黄胄　袁和平　 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于地震/风/车流/桥/PTMD耦合系统 的桥梁振动抑制分析方法 (57)摘要 本发明建立了一个运营阶段的大跨桥梁结 构在突发地震作用下的振动抑制分析方法， 在大 跨桥梁结构受到地震作用时同时考虑了运营车 辆、 风等日常荷载的影 响。 通过综合考虑车流 ‑桥 相互作用、 风 ‑桥相互作用、 风 ‑车流相互作用、 地 震作用和碰撞调谐质量阻尼器(P TMD)‑桥梁相互 作用， 建立了地震/风/ 车流/桥/P TMD耦合振动方 程。 利用数值积分法求解桥梁的振动响应， 从而 评估PTMD对桥梁动力响应的抑制效果。 该方法为 评估运营阶段桥梁在突发地震作用下桥梁结构 的安全性 提供了一种有效方法。 权利要求书4页 说明书9页 附图5页 CN 115146358 A 2022.10.04 CN 115146358 A 1.一种基于地震/风/车流/桥/PTMD耦合系统的桥梁振动抑制 分析方法， 其特征在于， 包括： 根据车流和桥梁模型、 车流 ‑桥相互作用、 风 ‑桥相互作用、 风 ‑车流相互作用、 地震作用 和PTMD‑桥梁相互作用， 建立了地震/风/车流/桥/PTMD耦合振动方程； 对地震/风/车流/桥/PTMD耦合振动方程求解得到桥梁的动力响应； 并根据得到的桥梁 动力响应， 对比分析PTMD系统对桥梁结构动力 响应的抑制效果， 从而评估运营阶段桥梁在 突发地震作用下桥梁结构的安全性。 2.如权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述根据车流和桥梁模型、 车流 ‑桥相互作 用、 风‑桥相互作用、 风 ‑车流相互作用、 地震作用和PTMD ‑桥梁相互作用， 建立地震/风/车 流/桥/PTMD耦合振动方程的步骤中， 其中： 所述车流模型采用元 胞自动机模型， 建立可考虑邻近车辆影响的随机车流模型； 所述桥梁模型采用有限元法建立， 主梁、 桥塔及桥墩采用三维实体单元模拟， 斜拉索采 用空间杆 单元模拟， 附属结构及二期恒载通过施加质量单 元来模拟； 所述PTMD ‑桥梁相互作用通过在桥梁动力响应最大的位置建立Hertz接触单元和阻尼 器非线性模型来进行模拟； 所述相互作用中的地震、 风和桥的路面 粗糙度激励通过谐波合成法来模拟。 3.如权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 所述车流 ‑桥相互作用包括桥面和轮胎之间的横向接触力和竖向接触力， 分为路面粗 糙度引起的激励和桥梁变形引起的耦合力； 所述风‑车相互作用为作用在车辆上的准静态风力； 所述风‑桥相互作用包括作用在桥梁上的准静态风力； 桥梁受到的地震作用即为 桥梁受到的地震力； 所述PTMD ‑桥梁相互作用即为PTMD对桥梁在竖向和横向两个方向的冲击力。 4.如权利要求2所述的方法， 其特征在于， 所述根据车流和桥梁模型、 车流 ‑桥相互作 用、 风‑桥相互作用、 风 ‑车流相互作用、 地震作用和PTMD ‑桥相互作用， 建立地震/风/车流/ 桥/PTMD耦合振动方程的步骤中， 所建立的地震/风/车流/桥/PTMD耦合振动方程表示 为： 式中N表示作用在桥梁上车辆的数目； [Mb]、 [Mp]和[MvN]分别表示桥梁系统、 PTMD系统和 车流系统的质量矩阵； 和 分别表示桥梁、 PTMD和车辆的加速度矢量； 和 分别表示桥梁、 PTMD和车辆的速度矢量； {Yb}、 {Yp}和{Yv}分别表示桥梁、权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115146358 A 2PTMD和车辆的位移矢量； [Cb]、 [Cp]和 分别表示桥梁系统、 PTMD系统和车流系统的阻尼 矩阵； [Cb‑p]和[Cp‑b]表示桥梁/PTMD耦合阻尼矩阵； [Cb‑v]和[Cv‑b]表示桥梁/车辆耦合阻尼 矩阵； [Kb]、 [Kp]和 分别表示桥梁系统、 PTMD系统和车流系统的刚度矩阵； [Kb‑p]和 [Kp‑b]表示桥梁/PT MD耦合刚度矩阵； [Kb‑v]和[Kv‑b]表示桥梁/车辆耦合刚度矩阵； 表示 作用在桥梁上的车辆荷载矢量； 和 表示PTMD和桥梁间产生的相对运动力矢量； 和 分别表示作用在桥梁上的风荷载和地震荷载矢量； 表示PTMD的冲击荷载 矢量； H表示冲击荷载的方向； Γ表示冲击荷载的位置； 表示作用在车辆上的车轮 ‑桥面 接触力矢量； 表示作用在车辆上的重力矢量； 表示作用在车辆上的风荷载矢量。 5.如权利要求 4所述的方法， 其特 征在于， 交通 流中车辆的运动方程可表示 为 式中[Mv]、 [Cv]和[Kv]分别表示车辆的质量、 阻尼和刚度矩阵； {Yv}表示车辆的位移矢 量； {FG}表示重力矢量； {Fv‑b}表示作用在车辆上的车轮 ‑路面接触力矢量； {Fvw}表示作用在 车辆上的风荷载矢量。 6.如权利要求 4所述的方法， 其特 征在于， 作用在车辆上的准静态风力可表示 为 式中Fxw,Fyw,和Fzw分别表示车辆上的阻力、 侧向力和 浮力； Mxw,Myw,和Mzw分别表示车辆 上的滚动力矩、 俯仰力矩和偏航力矩； ρα表示风的密度； CD表示阻力系数； CS表示侧向力系 数； CL表示浮力系数； CR表示滚动力 矩的系数； CP表示俯仰力矩的系数； CY表示偏航力矩的系 数； A是车辆的前部区域； hv是车辆重心与桥面之间的距离； UR是相对于车辆的相对风速， 可 表示为： 式中 表示车辆的行驶速度； U表示车辆上的平均风速， u(x,t)表示车辆上的湍流风速 分量； β 表示 风对车辆的攻角； ψ 的取值 为0～ π。 7.如权利要求 4所述的方法， 其特 征在于， 作用在桥梁上的风力可表示 为 式中[Mb]、 [Cb]和[Kb]分别表示桥梁的质量、 阻尼和刚度矩阵； {Yb}表示桥梁所有自由度 的位移矢量； {Fb‑v}表示作用在桥梁上的所有 外力的矢量； {Fbw}表示作用在桥梁上的风力矢 量。权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115146358 A 3