车桥耦合作用下公路桥梁局部振动研究

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1、同济大学土木工程学院博士学位论文车-桥耦合作用下公路桥梁局部振动研究姓名：杨建荣申请学位级别：博士专业：桥梁与隧道工程指导教师：范立础;李建中20071201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

2、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，大部分有关车一桥耦合振

3、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(VehicleBridgeDynamicInteractionProgram)，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”

4、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、摘要车速、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

5、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。关键词：车一桥耦合，模态综合法，局部振动，混凝土箱梁，桥面板，

6、系杆拱桥，吊杆IIAbstractABSTRACTInrecentyeas，heavyvehicleshavebecomelargerandhaveincreasedinnumber．Atthesametime，newmaterialsandimproveddesignmethodshaveresultedinlighterandmoreflexiblebridges．Therefore，highwaybridgesareincreasinglysusceptibletovibration．Highwaybridgestypicallyhavenaturalfrequenciesinthes

7、amerangeasthoseofheavyvehicles．Excitationofonesystembytheotherissignificant．Bridge—vehicleinteractiondoesnotnormallycausemajorbridgefailures．Butthewheelloadsinducelocalvibrationofthebridgecomponentsandcontr