基于橋面不平順公路梁橋車橋耦合隨機振動研究.pdf

1、影響公路橋梁車橋耦合振動響應的眾多因素中，橋面平整度是一種主要因素。由于模擬橋面不平整時程激勵方法的多樣性及模擬結果的隨機性，使得采用確定性振動方法分析橋面不平整引起車橋耦合振動響應具有很大離散性。本文基于虛擬激勵法，研究橋面不平整激勵（文中均采用路面不平順譜）非平穩(wěn)隨機輸入的公路梁橋車橋耦合振動響應，對車橋耦合隨機振動的模型建立、算法分析、振動響應、縮尺模型試驗及沖擊系數(shù)展開研究。
　　結合模態(tài)綜合疊加技術，提出了基于精細積分(

2、PIM)格式的車橋耦合振動模型新算法。考慮積分步長內荷載協(xié)調分解，通過插值函數(shù)將移動車輛荷載等效到單元節(jié)點荷載，利用Cotes積分格式求解Duhamel非齊次項荷載。以移動常量力荷載作用于簡支梁橋為背景，將解析解和多種數(shù)值解對比，校驗PIM結合Cotes積分格式求解車橋耦合振動響應的準確性。以單自由度車模型作用于簡支梁橋，研究積分步長、計算時間對Newmark-β法、Runge-Kutta法和PIM求解車橋耦合振動響應的影響，提出運用模

3、態(tài)綜合疊加法結合PIM求解車橋耦合振動問題，具有不受積分方法的積分步長限制、快速收斂的優(yōu)勢?？紤]荷載在積分步長內的協(xié)調分解和不變常量，結合模態(tài)綜合疊加技術特點，建立移動彈簧質量車橋耦合系統(tǒng)振動模型，引入PIM算法，并采用Cotes及Gauss積分格式展開精細積分中Duhamel非齊次項，分析荷載節(jié)點等效方法及PIM中Duhamel非齊次項展開方式對車橋耦合振動響應的影響。Cotes積分格式計算車橋耦合振動響應，協(xié)調分解與解析解更接近，N

4、ewmark-β法積分步長內荷載分解形式對計算結果影響很小;積分步長內荷載協(xié)調分解的Gauss積分格式計算結果呈發(fā)散趨勢;Newmark-β法計算結果能滿足工程需要，但保證相同計算精度時，需較小積分步長、同時耗費較多計算時間，而PIM算法結合Cotes積分格式的協(xié)調分解，具有快速收斂且計算快的優(yōu)勢。
　　將橋梁離散為梁單元，車輛簡化為兩自由度系統(tǒng)，以路面不平順譜激勵函數(shù)作為輸入，將路面不平順引起的荷載等效為虛擬激勵荷載，建立兩自由

5、度車模型-橋梁耦合隨機振動模型。引入模態(tài)綜合疊加法，數(shù)值迭代求解，驗證模型的正確性;與Monte-Carlo法(MCM)相比，虛擬激勵法(PEM)計算車橋耦合隨機振動具有原理簡單、計算快捷的特性。以兩自由度車模型作用于簡支梁橋，在頻域內分析由路面不平順引起的車橋耦合隨機振動響應?？缰胸Q向位移及加速度響應主要由一階頻率控制，第三階頻率對跨中加速度的影響比位移明顯;跨中豎向位移均方根值隨車速變化較大，車速對位移和加速度功率譜(PSD)曲線的

6、一階頻率峰值和帶寬影響顯著;路面不平順的隨機樣本激勵引起豎向位移均未超過PEM計算結果的兩倍標準差(SD)。分別以GB7031譜、Wang譜及ISO譜三種路面譜函數(shù)作為不平順激勵輸入，研究路面譜函數(shù)對簡支梁橋及車輛振動響應的影響。三種路面譜函數(shù)引起的簡支梁橋跨中豎向位移均方根曲線形狀相似;路面譜與車橋耦合共同作用，橋梁及車輛的共振頻率出現(xiàn)在橋梁一階頻率處;ISO譜引起的車輛振動響應受車速變化敏感性較弱，但橋梁振動響應受車速影響的敏感性較

7、強;GB7031譜和Wang譜引起車輛和橋梁的動力響應及頻率特性接近，GB7031譜計算結果略大于Wang譜。
　　考慮各車輪輸入路面不平順激勵的時滯效應和相干效應，采用PEM研究車輛變速行駛的三維車橋耦合非平穩(wěn)隨機振動響應。將橋梁離散為板-殼實體單元，車輛簡化為三維九自由度體系，考慮路面不平順輸入激勵的多點不相干，運用PEM將路面不平順引起的荷載等效為虛擬激勵荷載，建立三維車-橋耦合非平穩(wěn)隨機振動模型。運用PIM和Newmark

8、-β兩種積分格式迭代求解，與MCM計算結果對比驗證三維車橋耦合非平穩(wěn)隨機振動模型的正確性;以某高速公路梁橋為背景，研究車輛勻加速行駛在B級橋面的橋梁各點動力響應。相同路面激勵引起的跨中位移和加速度響應峰值大小取決于車速;車輛變速行駛比勻速行駛具有更寬的共振頻率區(qū)間，跨中位移和加速度的極值響應隨車輛行駛加速度呈現(xiàn)先快后緩的增長趨勢。
　　基于GB7031路面不平順功率譜，選取三軸自卸汽車，考慮路面譜激勵輸入的時滯性和相干性，基于虛擬

9、激勵法建立三維相干路面不平順輸入激勵的車橋耦合隨機振動模型，研究路面不平順譜輸入激勵的空間效應（相干效應、時滯效應及一致效應）對車橋耦合振動、車輛振動及車橋系統(tǒng)頻譜特性的影響。三種路面譜空間效應對橋梁位移和加速度響應存在差異，路面譜空間效應對車體響應的影響比后懸架更明顯;路面譜激勵輸入的空間效應對車-橋耦合與路面譜的共振頻率影響較小;研究路面不平順激勵對車橋耦合振動影響時，需考慮路面不平順輸入激勵的空間效應?？紤]路面不平順激勵輸入函數(shù)的

10、相干性，研究Nanyanan相干函數(shù)、Dieter相干函數(shù)和Zhang相干函數(shù)對車橋系統(tǒng)振動響應及頻譜特性的影響。不同的相干函數(shù)對車橋系統(tǒng)位移均方根和加速度均方差的影響效果不同;相干函數(shù)僅影響路面譜與車橋系統(tǒng)共振能量大小，不改變共振頻率大小;相干函數(shù)對車體位移和加速度的影響明顯大于對后懸架的影響。
　　根據(jù)公路梁橋車橋耦合振動特性，結合結構動力縮尺模型試驗的相似理論，推導了車橋耦合振動縮尺模型的相似關系。選取幾何相似比尺10，計算

11、車橋耦合縮尺模型試驗系統(tǒng)的相似常數(shù);以簡支梁橋和三軸汽車為原型，設計制作了包含有機玻璃模型橋、試驗小車及車橋耦合振動縮尺模型試驗系統(tǒng)的輔助部分。通過試驗測試與理論分析對比，校驗模型橋、試驗小車動力特性;將模型橋測試結果與數(shù)值模擬結果對比，校驗車橋耦合縮尺模型相似理論。車橋耦合振動縮尺模型試驗相似律關系正確，設計制作的車橋耦合振動模型試驗系統(tǒng)可行，模型試驗測試結果可靠。
　　以某三跨連續(xù)梁橋為例，對該橋進行現(xiàn)場靜載和動載試驗，并對該