大跨度自锚式悬索桥车桥耦合振动数值分析

论文摘要

近年来,随着桥梁结构逐渐轻柔化、车辆速度和载重量不断增大,车桥耦合振动问题愈加突出。由于公路桥梁结构型式的多样化和汽车荷载的复杂性及不确定性,使得公路桥梁因车辆过桥而引起的耦合振动分析更加复杂。目前国内、外已有车桥耦合振动研究成果基本上都集中在铁路等轨道交通桥梁上,关于复杂结构体系公路桥梁研究较少。自锚式悬索桥作为一种特殊的桥梁结构形式,以其结构造型美观,经济性好,对地形和地质条件适应性强等优点,越来越受到工程界的亲睐,近20年来,国内外已有数十座自锚式悬索桥建成。而自锚式悬索桥的车桥耦合振动研究在国内外尚属空白。随着有限元技术的广泛应用和大型结构分析软件的大量涌现,研究一种基于既有有限元分析软件的数值分析方法,以实现对复杂桥梁结构（如自锚式悬索桥等）车桥耦合振动分析,具有重要的理论意义。本文以某自锚式悬索桥为研究背景,给出了两种车辆与桥梁耦合振动的力学分析模型,把桥梁和车辆视作两个分离体系,分别应用广义虚功原理和有限元法推导了两者的振动方程组,并给出了位移协调方程及车桥相互作用关系;采用Matlab语言环境编制了基于精细时程积分法的车辆振动响应分析程序,通过与Wilson-θ法求解程序的对比表明,精细时程积分法排除了算法阻尼的影响,提高了求解振动方程的计算效率和精度;利用车辆与桥梁的位移和相互作用协调条件,借助既有通用结构分析软件ANSYS,研究了车桥耦合振动的有限元迭代分析方法;利用本文研究的分析方法分别进行了不同车辆模型、不同车速和不同桥面不平整度等条件下的自锚式悬索桥车桥耦合振动响应数值计算,分析了自锚式悬索桥车桥耦合振动的主要影响参数和响应规律。本文基于有限元通用分析软件实现了公路自锚式悬索桥车桥耦合振动分析,为公路自锚式悬索桥动力性能评价提供了一种可靠的数值分析方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 车桥耦合振动研究现状
• 1.1.1 车桥耦合振动问题的提出
• 1.1.2 车桥耦合振动研究现状
• 1.1.3 悬索桥车桥耦合振动研究现状
• 1.2 本文研究内容
• 1.2.1 本文问题提出
• 1.2.2 本文研究内容
• 第二章 车桥耦合振动分析原理与方法
• 2.1 车辆模型及振动方程推导
• 2.1.1 四分之一（双自由度）车辆模型
• 2.1.2 二分之一（四自由度）车辆模型
• 2.2 桥跨结构动力平衡方程
• 2.2.1 桥梁有限元模型
• 2.2.2 桥梁动力平衡方程
• 2.2.3 桥梁结构阻尼
• 2.3 位移联系方程及车桥相互作用
• 2.3.1 位移联系方程
• 2.3.2 车桥相互作用
• 2.4 车桥耦合振动有限元数值分析方法
• 2.4.1 车辆振动方程数值分析及编程
• 2.4.2 精细时程积分法求解动力学方程
• 2.4.3 车桥耦合振动数值分析方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 自锚式悬索桥车桥耦合振动数值分析
• 3.1 车辆模型振动数值分析
• 3.1.1 算法阻尼对车辆模型求解的影响
• 3.1.2 车辆模型求解
• 3.2 自锚式悬索桥动力特性分析
• 3.2.1 结构动力空间有限元计算模型
• 3.2.2 结构动力计算结果
• 3.3 自锚式悬索桥车桥耦合振动数值分析
• 3.3.1 四分之一车辆模型车桥耦合振动数值分析
• 3.3.2 二分之一车辆模型车桥耦合振动数值分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 不平整桥面下自锚式悬索桥车桥耦合振动数值分析
• 4.1 桥面不平整度对车辆振动影响分析
• 4.1.1 路面不平整表示方法
• 4.1.2 路面不平整模拟
• 4.1.3 不平整路面车辆模型求解
• 4.2 桥面不平整度下自锚式悬索桥车桥耦合振动分析
• 4.2.1 不同桥面等级下自锚式悬索桥车桥耦合振动分析
• 4.2.2 不同行车速度下自锚式悬索桥车桥耦合振动分析
• 4.3 桥面不平整度下自锚式悬索桥冲击系数分析
• 4.3.1 主梁不同位置处自锚式悬索桥冲击系数计算
• 4.3.2 主梁不同位置处自锚式悬索桥冲击系数分析
• 4.3.3 自锚式悬索桥冲击系数沿桥跨变化分析
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 本文主要结论
• 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢