雙層公路鋼桁梁橋車(chē)橋耦合振動(dòng)研究.pdf

1、隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與社會(huì)的發(fā)展，對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求快速增加，與此同時(shí)，公路橋梁建設(shè)所受的限制條件也日趨多樣化與復(fù)雜化，為此大量新型結(jié)構(gòu)形式、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。雙層鋼桁梁橋占地面積小，可以充分發(fā)揮橋位之利，通行能力大，能有效地緩解日益增長(zhǎng)的交通壓力，將會(huì)逐漸成為中國(guó)公路鋼橋的一種發(fā)展方向與趨勢(shì)。
　　雙層鋼橋在力學(xué)行為上表現(xiàn)為空間性強(qiáng)，受力復(fù)雜，而且由于車(chē)道多，車(chē)流的隨機(jī)性強(qiáng)，使得橋梁上下層各桿件的動(dòng)力響應(yīng)極為復(fù)雜，動(dòng)力耦合效應(yīng)

2、也更為明顯。在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，由于橋面平整度持續(xù)變差，車(chē)輛自身振動(dòng)越加劇烈，將會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的動(dòng)力響應(yīng)，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及使用壽命都將面臨更為嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)，已成為橋梁設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)階段必須加以考慮與解決的問(wèn)題。本文在高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金項(xiàng)目——隨機(jī)車(chē)流作用下雙層公路鋼桁橋車(chē)-橋耦合效應(yīng)研究(20090205110002)的資助下，對(duì)雙層公路鋼桁梁橋的車(chē)橋耦合振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容、研究方法與研究成果如下：
　　(1

3、)闡述了車(chē)橋耦合振動(dòng)問(wèn)題的產(chǎn)生、古典研究方法理論、發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在分析總結(jié)現(xiàn)有車(chē)橋耦合研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)車(chē)橋耦合振動(dòng)問(wèn)題的特點(diǎn)，制定了本文的研究方法與技術(shù)路線。
　　(2)針對(duì)現(xiàn)有公路橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題分析的復(fù)雜性，結(jié)合分離法原理與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)理論，提出了一種基于ANSYS平臺(tái)的公路橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析方法。將車(chē)輛模型與橋梁模型分別獨(dú)立建于ANSYS軟件環(huán)境中，利用約束方程實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻車(chē)輪與橋面接觸點(diǎn)的位

4、移協(xié)調(diào)關(guān)系（力的平衡關(guān)系由程序自動(dòng)滿足），基于ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)求解功能，采用APDL編程實(shí)現(xiàn)車(chē)輛（車(chē)流）過(guò)橋的耦合動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析。通過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)算例結(jié)果的對(duì)比及實(shí)橋動(dòng)載試驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的正確性與可靠性。該方法在任意載荷步處不需要迭代計(jì)算，避免了復(fù)雜程序設(shè)計(jì)，極大地提高了分析效率。
　　(3)基于本文提出的車(chē)橋耦合振動(dòng)數(shù)值算法，采用UIDL與APDL語(yǔ)言聯(lián)合編程，依托 ANSYS軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)了公路橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)響應(yīng)分析模塊

5、 VBCVA。該模塊只需輸入橋梁模型（橋面可以采用板單元或梁?jiǎn)卧M）、車(chē)道信息（車(chē)道中心起始位置、車(chē)道方向等參數(shù)）與車(chē)輛（車(chē)流）信息（車(chē)輛類(lèi)型、所屬車(chē)道、車(chē)重及懸架剛度與阻尼等參數(shù)），即可計(jì)算出任意結(jié)構(gòu)體系橋梁各位置的撓度沖擊系數(shù)及其時(shí)程響應(yīng)與各桿件的軸力、彎矩、扭矩等內(nèi)力沖擊系數(shù)及其時(shí)程變化響應(yīng)。該模塊采用圖形用戶界面（GUI）方式接受用戶的輸入，操作簡(jiǎn)便直觀，便于工程人員掌握與應(yīng)用。
　　(4)以國(guó)內(nèi)首座雙層公路鋼桁梁橋（三

6、桁剛性懸索加勁鋼桁梁橋）——東江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用大型通用有限元軟件ANSYS，采用空間梁?jiǎn)卧狟eam188（主桁桿件、縱梁和橫梁）與板單元 Shell63（橋面板）建立其三維有限元模型，對(duì)其動(dòng)力特性（自振頻率與振型）進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比實(shí)橋動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果，兩者相差較小，從而驗(yàn)證了有限元模型的可靠性，同時(shí)表明所建立的有限元模型能較好地反映實(shí)際橋梁的動(dòng)力特性，有限元建模過(guò)程中的單元選取、邊界施加和相關(guān)假定與實(shí)際較為相符，可應(yīng)

7、用其進(jìn)行類(lèi)似雙層鋼橋的有限元建模與計(jì)算分析工作，為進(jìn)一步開(kāi)展雙層橋車(chē)橋耦合振動(dòng)分析研究提供了有限元模型基準(zhǔn)。
　　(5)以東江大橋?yàn)楣こ桃劳?，設(shè)計(jì)了一雙層公路簡(jiǎn)支鋼桁梁橋，應(yīng)用已開(kāi)發(fā)的車(chē)橋耦合振動(dòng)分析模塊 VBCVA，對(duì)其車(chē)橋耦合振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析計(jì)算，系統(tǒng)地研究了單雙層加載模式、車(chē)輛數(shù)量、車(chē)輛速度、車(chē)輛質(zhì)量、橋面不平度等級(jí)與橋梁阻尼比等參數(shù)獨(dú)立變化時(shí)，橋梁主梁各控制位置處桿件內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)撓度時(shí)程變化動(dòng)力響應(yīng)與沖擊系數(shù)變化規(guī)律，為雙