雙層公路鋼桁梁橋車橋耦合振動研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟(jì)的增長與社會的發(fā)展，對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求快速增加，與此同時，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的交通壓力，將會逐漸成為中國公路鋼橋的一種發(fā)展方向與趨勢。
　　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，而且由于車道多，車流的隨機(jī)性強(qiáng)，使得橋梁上下層各桿件的動力響應(yīng)極為復(fù)雜，動力耦合效應(yīng)

2、也更為明顯。在長期運營后，由于橋面平整度持續(xù)變差，車輛自身振動越加劇烈，將會使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的動力響應(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)計與運營階段必須加以考慮與解決的問題。本文在高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目——隨機(jī)車流作用下雙層公路鋼桁橋車-橋耦合效應(yīng)研究(20090205110002)的資助下，對雙層公路鋼桁梁橋的車橋耦合振動問題進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容、研究方法與研究成果如下：
　　(1

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

4、移協(xié)調(diào)關(guān)系（力的平衡關(guān)系由程序自動滿足），基于ANSYS瞬態(tài)動力學(xué)求解功能，采用APDL編程實現(xiàn)車輛（車流）過橋的耦合動力時程響應(yīng)分析。通過與相關(guān)文獻(xiàn)算例結(jié)果的對比及實橋動載試驗驗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算，避免了復(fù)雜程序設(shè)計，極大地提高了分析效率。
　　(3)基于本文提出的車橋耦合振動數(shù)值算法，采用UIDL與APDL語言聯(lián)合編程，依托 ANSYS軟件環(huán)境開發(fā)了公路橋梁車橋耦合振動響應(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單元模擬）、車道信息（車道中心起始位置、車道方向等參數(shù)）與車輛（車流）信息（車輛類型、所屬車道、車重及懸架剛度與阻尼等參數(shù)），即可計算出任意結(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，操作簡便直觀，便于工程人員掌握與應(yīng)用。
　　(4)以國內(nèi)首座雙層公路鋼桁梁橋（三

6、桁剛性懸索加勁鋼桁梁橋）——東江大橋為工程背景，利用大型通用有限元軟件ANSYS，采用空間梁單元Beam188（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，對其動力特性（自振頻率與振型）進(jìn)行計算。對比實橋動載試驗測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果，兩者相差較小，從而驗證了有限元模型的可靠性，同時表明所建立的有限元模型能較好地反映實際橋梁的動力特性，有限元建模過程中的單元選取、邊界施加和相關(guān)假定與實際較為相符，可應(yīng)

7、用其進(jìn)行類似雙層鋼橋的有限元建模與計算分析工作，為進(jìn)一步開展雙層橋車橋耦合振動分析研究提供了有限元模型基準(zhǔn)。
　　(5)以東江大橋為工程依托，設(shè)計了一雙層公路簡支鋼桁梁橋，應(yīng)用已開發(fā)的車橋耦合振動分析模塊 VBCVA，對其車橋耦合振動響應(yīng)進(jìn)行了分析計算，系統(tǒng)地研究了單雙層加載模式、車輛數(shù)量、車輛速度、車輛質(zhì)量、橋面不平度等級與橋梁阻尼比等參數(shù)獨立變化時，橋梁主梁各控制位置處桿件內(nèi)力與節(jié)點撓度時程變化動力響應(yīng)與沖擊系數(shù)變化規(guī)律，為雙