车—桥耦合作用下公路桥梁局部振动研究

论文摘要

近年来为了减少运营成本,重载货车的载重量大幅增加并大量使用。同时,由于新材料和新方法的广泛采用,桥梁结构被设计得比较轻柔。公路桥梁和重载货车的自振频率处于相同频段内,车、桥两个系统之间的耦合振动问题突出。尽管车-桥耦合振动问题一般不会导致桥梁结构的整体失效,但是车辆荷载通常引起桥梁局部振动,桥梁构件因此而出现疲劳、老化、开裂等问题。这些破损又将促使结构更容易受到侵蚀,形成恶性循环。在车辆荷载长期作用下,桥梁结构性能不断劣化,所增加的养护费用高昂。研究桥梁的车致局部振动问题将有助于人们更好地完善结构设计、规范车辆荷载、改进车辆设计并减少桥梁损坏。重载车辆的作用是桥梁设计应该考虑的主要荷载之一。目前,在桥梁设计中,通常采用所谓“冲击系数”乘以车辆的静力荷载得到的等效动力荷载来考虑车辆的冲击效应,如果冲击系数使用不当将极大地影响桥梁的经济指标。冲击系数一般由桥梁主结构在车辆载荷作用下的总体动力响应导出。而桥梁之上一些构件所受到的局部冲击作用也不容忽视,但相关研究却不充分。专门研究诸如桥面板、吊杆、伸缩缝等构件局部振动问题的工作较少。有鉴于此,本文针对车-桥耦合作用下公路桥梁的局部振动问题展开研究。首先,大部分有关车-桥耦合振动的工程问题都无法由解析方法求解,而必须借助于数值方法。本文根据模态综合法推导出车-桥耦合动力平衡方程,基于ANSYS前、后处理器的桥梁建模和结果后处理功能,结合自主程序VBDIP（Vehicle Bridge Dynamic Interaction Program）,形成一个通用工具用于分析车-桥耦合振动问题。算例分析结果与相关文献吻合,表明该方法合理有效,为工程界开展车-桥耦合振动的相关分析提供了一种新思路。然后,利用VBDIP研究了车、桥相互作用条件下,混凝土箱梁桥桥面板局部振动规律。用板单元建立简支箱梁桥有限元模型,采用3维7自由度车辆模型,由路面功率谱密度函数得到等级分别为“理想”、“好”和“差”的路面不平度函数。计算单辆卡车分别沿不同车道匀速通过桥梁时,桥面板各数据点处的竖向位移、纵向弯矩和横向弯矩的动力放大系数（DAF）。对车道位置、路面等级、车速、桥梁阻尼和车辆悬架刚度等进行参数分析。研究表明:路面不平度是影响桥梁动力响应的重要因素,随着桥面不平顺程度增加,无论是箱梁局部振动还是总体振动都将因路面变得粗糙而加剧;车道位置和车辆悬架刚度对桥面板局部DAF也有一定影响;较高的桥梁阻尼可有效地减小车辆对桥面板的冲击;而DAF值与车速之间则没有明显的函数关系。桥面板不同位置、不同响应的DAF均存在差异,对其加以合理选择才能避免设计过分保守或者不足。其次,研究系杆拱桥吊杆的车致振动问题。沿用与混凝土箱梁桥分析完全相同的车辆模型和路面不平度函数,采用板单元、梁单元和连结单元建立一典型系杆拱桥的有限元模型。参数分析表明:路面不平度、车速、车辆悬架刚度是影响车、桥相互作用的主要因素,尤以路面不平度为最。吊杆的连接条件对桥梁动力响应影响微小可忽略不计,但为了避免吊杆两端因出现较大的弯曲应力而导致疲劳,应设置铰接装置。桥梁的局部动力放大系数常常大于其总体动力放大系数。短吊杆的工作状态与长吊杆相比更为不利,在桥梁设计时应采取措施加以改善。最后,总结研究成果,指出研究工作中存在的问题,简要地讨论了进一步工作的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车-桥耦合振动研究的古典理论
• 1.2.1 静力法
• 1.2.2 匀速移动常力过桥分析
• 1.2.3 匀速移动简谐力过桥分析
• 1.2.4 匀速移动质量过桥分析
• 1.2.5 匀速移动弹簧质量过桥分析
• 1.3 车-桥耦合振动研究的现代方法
• 1.3.1 动力荷载实验
• 1.3.2 数值计算方法
• 1.3.3 车、桥分析模型
• 1.3.4 规范冲击系数
• 1.4 公路桥梁车致局部振动研究现状
• 1.5 本文主要工作
• 本章参考文献
• 第2章 模态综合法车-桥耦合计算理论
• 2.1 模态综合法
• 2.2 桥梁计算模型及动力平衡方程
• 2.3 车辆计算模型及动力平衡方程
• 2.3.1 车辆的构造和振动规律
• 2.3.2 车辆分析模型
• 2.3.3 车辆动力平衡方程
• 2.4 车-桥耦合动力平衡方程
• 2.5 车-桥耦合分析的两种常用插值方法
• 2.5.1 分段三次Hermite插值函数
• 2.5.2 三次样条插值函数
• 2.5.3 算例分析
• 本章参考文献
• 第3章 路面不平度的描述
• 3.1 概述
• 3.2 路面功率谱密度函数
• 3.3 路面不平度的数值模拟
• 3.3.1 三角级数叠加法正确性证明
• 3.3.2 目标谱频带范围的选取
• 3.3.3 本文路面不平度样本
• 3.4 路面不平度预测模型
• 本章参考文献
• 第4章 程序编制与程序主要功能
• 4.1 本文程序编制与使用
• 4.1.1 程序计算流程
• 4.1.2 使用说明
• 4.1.3 应用限制
• 4.2 VBDIP的主要功能和特点
• 4.3 VBDIP的计算正确性检验
• 4.3.1 移动常力通过简支梁
• 4.3.2 单自由度弹簧质量通过简支梁
• 4.3.3 两轴平面车辆模型过桥
• 4.3.4 两轴三维车辆模型过桥
• 本章参考文献
• 第5章 混凝土箱梁桥桥面板局部振动分析
• 5.1 概述
• 5.2 桥梁分析模型
• 5.2.1 桥例1（Ishac和Smith分析模型）
• 5.2.2 桥例2（东海大桥引桥70米跨混凝土箱梁）
• 5.3 车辆分析模型
• 5.4 计算过程说明
• 5.4.1 车、桥自由振动分析
• 5.4.2 桥梁静力分析
• 5.4.3 车-桥耦合振动分析
• 5.4.4 桥面板局部动力放大系数定义
• 5.5 参数分析
• 5.5.1 路面不平度的影响
• 5.5.2 车速的影响
• 5.5.3 桥梁阻尼的影响
• 5.5.4 车辆悬架刚度的影响
• 5.6 问题讨论
• 5.6.1 移动力和车辆模型过桥的差异
• 5.6.2 桥面动力响应的频谱特征
• 5.6.3 总体与局部动力放大系数的比较
• 5.7 本章小结
• 本章参考文献
• 第6章 系杆拱桥吊杆的车致振动分析
• 6.1 概述
• 6.2 桥梁分析模型
• 6.2.1 桥例3总体布置
• 6.2.2 桥梁有限元模型的建立
• 6.2.3 桥梁动力特性
• 6.3 计算过程说明
• 6.3.1 桥梁静力分析
• 6.3.2 车-桥耦合振动分析
• 6.3.3 动力放大系数定义
• 6.4 参数分析
• 6.4.1 吊杆连接形式的影响
• 6.4.2 路面不平度的影响
• 6.4.3 车速的影响
• 6.4.4 桥梁阻尼的影响
• 6.4.5 车辆悬架刚度的影响
• 6.5 问题讨论
• 6.5.1 桥梁动力响应的频谱特征
• 6.5.2 短吊杆结构行为分析
• 6.5.3 总体与局部动力放大系数的比较
• 6.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文主要研究成果
• 7.2 未来工作的展望
• 本章参考文献
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果