車-橋耦合作用下公路橋梁局部振動研究.pdf

1、近年來為了減少運營成本，重載貨車的載重量大幅增加并大量使用。同時，由于新材料和新方法的廣泛采用，橋梁結(jié)構(gòu)被設(shè)計得比較輕柔。公路橋梁和重載貨車的自振頻率處于相同頻段內(nèi)，車、橋兩個系統(tǒng)之間的耦合振動問題突出。 盡管車-橋耦合振動問題一般不會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的整體失效，但是車輛荷載通常引起橋梁局部振動，橋梁構(gòu)件因此而出現(xiàn)疲勞、老化、開裂等問題。這些破損又將促使結(jié)構(gòu)更容易受到侵蝕，形成惡性循環(huán)。在車輛荷載長期作用下，橋梁結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，所

2、增加的養(yǎng)護費用高昂。研究橋梁的車致局部振動問題將有助于人們更好地完善結(jié)構(gòu)設(shè)計、規(guī)范車輛荷載、改進車輛設(shè)計并減少橋梁損壞。 重載車輛的作用是橋梁設(shè)計應(yīng)該考慮的主要荷載之一。目前，在橋梁設(shè)計中，通常采用所謂“沖擊系數(shù)”乘以車輛的靜力荷載得到的等效動力荷載來考慮車輛的沖擊效應(yīng)，如果沖擊系數(shù)使用不當(dāng)將極大地影響橋梁的經(jīng)濟指標(biāo)。沖擊系數(shù)一般由橋梁主結(jié)構(gòu)在車輛載荷作用下的總體動力響應(yīng)導(dǎo)出。而橋梁之上一些構(gòu)件所受到的局部沖擊作用也不容忽視，但

3、相關(guān)研究卻不充分。專門研究諸如橋面板、吊桿、伸縮縫等構(gòu)件局部振動問題的工作較少。有鑒于此，本文針對車-橋耦合作用下公路橋梁的局部振動問題展開研究。 首先，大部分有關(guān)車-橋耦合振動的工程問題都無法由解析方法求解，而必須借助于數(shù)值方法。本文根據(jù)模態(tài)綜合法推導(dǎo)出車-橋耦合動力平衡方程，基于ANSYS前、后處理器的橋梁建模和結(jié)果后處理功能，結(jié)合自主程序VBDIP(Vehicle Bridge Dynamic Interaction Pr

4、ogram)，形成一個通用工具用于分析車-橋耦合振動問題。算例分析結(jié)果與相關(guān)文獻吻合，表明該方法合理有效，為工程界開展車-橋耦合振動的相關(guān)分析提供了一種新思路。 然后，利用VBDIP研究了車、橋相互作用條件下，混凝土箱梁橋橋面板局部振動規(guī)律。用板單元建立簡支箱梁橋有限元模型，采用3維7自由度車輛模型，由路面功率譜密度函數(shù)得到等級分別為“理想”、“好”和“差”的路面不平度函數(shù)。計算單輛卡車分別沿不同車道勻速通過橋梁時，橋面板各數(shù)據(jù)

5、點處的豎向位移、縱向彎矩和橫向彎矩的動力放大系數(shù)(DAF)。對車道位置、路面等級、車速、橋梁阻尼和車輛懸架剛度等進行參數(shù)分析。研究表明：路面不平度是影響橋梁動力響應(yīng)的重要因素，隨著橋面不平順程度增加，無論是箱梁局部振動還是總體振動都將因路面變得粗糙而加劇；車道位置和車輛懸架剛度對橋面板局部DAF也有一定影響；較高的橋梁阻尼可有效地減小車輛對橋面板的沖擊；而DAF值與車速之間則沒有明顯的函數(shù)關(guān)系。橋面板不同位置、不同響應(yīng)的DAF均存在差異

6、，對其加以合理選擇才能避免設(shè)計過分保守或者不足。 其次，研究系桿拱橋吊桿的車致振動問題。沿用與混凝土箱梁橋分析完全相同的車輛模型和路面不平度函數(shù)，采用板單元、梁單元和連結(jié)單元建立一典型系桿拱橋的有限元模型。參數(shù)分析表明：路面不平度、車速、車輛懸架剛度是影響車、橋相互作用的主要因素，尤以路面不平度為最。吊桿的連接條件對橋梁動力響應(yīng)影響微小可忽略不計，但為了避免吊桿兩端因出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力而導(dǎo)致疲勞，應(yīng)設(shè)置鉸接裝置。橋梁的局部動力放