車-橋耦合作用下公路橋梁局部振動(dòng)研究.pdf

1、近年來(lái)為了減少運(yùn)營(yíng)成本，重載貨車的載重量大幅增加并大量使用。同時(shí)，由于新材料和新方法的廣泛采用，橋梁結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)之間的耦合振動(dòng)問(wèn)題突出。 盡管車-橋耦合振動(dòng)問(wèn)題一般不會(huì)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(dòng)，橋梁構(gòu)件因此而出現(xiàn)疲勞、老化、開(kāi)裂等問(wèn)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(zhǎng)期作用下，橋梁結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，所

2、增加的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高昂。研究橋梁的車致局部振動(dòng)問(wèn)題將有助于人們更好地完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、規(guī)范車輛荷載、改進(jìn)車輛設(shè)計(jì)并減少橋梁損壞。 重載車輛的作用是橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的主要荷載之一。目前，在橋梁設(shè)計(jì)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(dòng)力荷載來(lái)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(jì)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(dòng)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(dòng)問(wèn)題的工作較少。有鑒于此，本文針對(duì)車-橋耦合作用下公路橋梁的局部振動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)研究。 首先，大部分有關(guān)車-橋耦合振動(dòng)的工程問(wèn)題都無(wú)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(dòng)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(gè)通用工具用于分析車-橋耦合振動(dòng)問(wèn)題。算例分析結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)吻合，表明該方法合理有效，為工程界開(kāi)展車-橋耦合振動(dòng)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(dòng)規(guī)律。用板單元建立簡(jiǎn)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(jí)分別為“理想”、“好”和“差”的路面不平度函數(shù)。計(jì)算單輛卡車分別沿不同車道勻速通過(guò)橋梁時(shí)，橋面板各數(shù)據(jù)

5、點(diǎn)處的豎向位移、縱向彎矩和橫向彎矩的動(dòng)力放大系數(shù)(DAF)。對(duì)車道位置、路面等級(jí)、車速、橋梁阻尼和車輛懸架剛度等進(jìn)行參數(shù)分析。研究表明：路面不平度是影響橋梁動(dòng)力響應(yīng)的重要因素，隨著橋面不平順程度增加，無(wú)論是箱梁局部振動(dòng)還是總體振動(dòng)都將因路面變得粗糙而加?。卉嚨牢恢煤蛙囕v懸架剛度對(duì)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(duì)橋面板的沖擊；而DAF值與車速之間則沒(méi)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(duì)其加以合理選擇才能避免設(shè)計(jì)過(guò)分保守或者不足。 其次，研究系桿拱橋吊桿的車致振動(dòng)問(wèn)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?jiǎn)卧瓦B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(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)影響微小可忽略不計(jì)，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(dòng)力放