移动车辆荷载作用下梁式桥动力性能设计与评价方法

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1、博士学位论文移动车辆荷载作用下梁式桥动力性能设计与评价方法DESIGNANDEVALUATIONMETHODSONDYNAMICPERFORMANCEOFGIRDERBRIDGESUNDERMOVINGVEHICLELOADS高庆飞哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：U448.2学校代码：10213国际图书分类号：624.2密级：公开工学博士学位论文移动车辆荷载作用下梁式桥动力性能设计与评价方法博士研究生：高庆飞导师：王宗林教授申请学位：工学博士学科：桥梁与隧道工程所在单位：交通科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:U448

2、.2U.D.C:624.2DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringDESIGNANDEVALUATIONMETHODSONDYNAMICPERFORMANCEOFGIRDERBRIDGESUNDERMOVINGVEHICLELOADSCandidate：GaoQingfeiSupervisor：Prof.WangZonglinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：BridgeandTunnelEngineeringAffiliation：SchoolofTransport

3、ationScienceandEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要不同于其他土木结构，公路桥梁结构在运营期间主要荷载形式是移动车辆荷载，且车辆振动与桥梁振动将会相互影响，即车辆桥梁耦合振动。回顾大量桥梁发生的重大事故中，40%的桥梁破坏是由于移动车辆振动所致，主要表现为动力损伤等破坏形式。因此，公路桥梁除应满足静力强度要求外，还应具有良好的动力工作性能，以保证车辆通过桥梁时桥梁的安全性及行人与车辆的舒适性。不管在桥梁动力设计还是动载试验中，

4、都将涉及到相应的桥梁结构的动力性能的研究。而目前对于桥梁结构振动响应的评定成果主要集中于铁路桥梁方面。实际上，对于公路桥梁结构来说，移动车辆荷载是其主要形式，也是引起结构动力损伤的主要因素。因此，本文针对移动车辆荷载作用下公路梁式桥动力性能的设计与评价方法不足的问题，展开了相关研究。基于模态综合法，结合大型通用商业有限元软件ANSYS与MATLAB各自的优势，编制了用于车辆桥梁耦合振动分析的程序VBCVA与行人及行车舒适性评价的程序VCE，并通过与ANSYS以及既有文献的计算结果对比验证了自编程序的正确性与有效性。从桥梁结构动力特性、动力响应以及行人与行车舒适性的角度，提出了以桥梁自振频率、

5、冲击系数、桥梁振动加速度以及车辆振动加速度作为移动车辆荷载作用下桥梁结构动力性能指标。同时，结合理论推导与数值模拟，给出了中小跨径等截面连续梁桥的自振频率估算公式，补充了现行规范对桥梁自振频率估算的规定。另外，对不同部位以及不同响应对应冲击系数之间的差别进行了讨论，指出挠度冲击系数最大、弯矩冲击系数次之、剪力冲击系数最小；因此，作为设计指标可选择较为保守的挠度冲击系数，但作为评价指标应将挠度冲击系数与弯矩冲击系数分别考虑。将车辆假设为常量力、简谐力、弹簧质量块等简化模型，识别出了影响桥梁动力响应的主要参数及其影响规律，最终提出了基于简化模型的桥梁动力性能设计方法。不计桥梁阻尼的车辆桥梁振动简

6、化模型理论推导表明，影响桥梁冲击系数的主要参数有三个，分别是：车辆桥梁质量比、扰动频率与桥梁频率之比、以及车辆频率与桥梁频率之比。在不同速度情况下，冲击系数均随着阻尼比的增大而减小，且其斜率基本相等。针对桥梁结构安全性，分别以桥梁冲击系数与振动加速度作为动力响应指标，结合传统方法（单因子法）与正交试验法，研究了影响桥梁动力响应的主要因素及其各自的影响规律；正交试验法的采用，使得不同因素之间的相互影-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文响得以充分考虑。简支梁桥的正交试验表明，不管是桥梁冲击系数还是振动加速度，桥面不平整度与其他因素的交互作用最为明显，尤其是桥面不平整度与桥梁跨径的交互作用。连续梁

7、桥的正交试验表明，不管是桥梁冲击系数还是振动加速度，桥面不平整度、桥梁主跨跨径、桥梁边中跨比与桥梁跨数之间的交互作用较为明显。另外，指出运用桥梁结构基频单一参数表示的冲击系数表达式是存在一定的缺陷的，尤其是在桥梁结构自振频率位于2Hz~4Hz范围。分别选择典型梁式桥结构与车辆类型，研究了车辆经过不同桥梁结构时对应的行车舒适性，结果表明：车体振动加速度随着车辆行驶速度、桥面不平整度以及车辆载重的变化规律，与桥梁