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车—桥耦合作用下公路桥梁局部振动研究

杨建荣  
【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。


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