大跨度公路斜拉桥车桥耦合振动竖向响应分析.pdf

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1、第45卷第2期郑州大学学报(理学版)Vo1．45No．22013年6月J．ZhengzhouUniv．(Nat．Sci．Ed．)Jun．2013大跨度公路斜拉桥车桥耦合振动竖向响应分析李武生，王贵春，陈卫丽，张校卫(郑州大学土木工程学院河南郑州450001)摘要：在数值分析软件MATLAB平台上，运用三角级数法将桥面不平顺模拟为具有各态历经的平稳随机过程．根据有限元法建立大跨度斜拉桥分析模型，将车辆模拟为5个自由度的质量一弹簧一阻尼体系，分别建立车辆和桥梁结构的振动微分方程，通过位移协调和力的平衡条件形

2、成车桥系统的耦合振动微分方程．采用Newmark—p法，利用有限元分析软件ANSYS编写了迭代计算的APDL命令流，进行主跨为550m的福建长门大跨度公路斜拉桥的车桥耦合振动分析．计算结果表明：桥梁结构动力响应随桥面状况的恶化而显著增大，随结构阻尼的增大而近似呈线性关系减小．随车重的增加而先增大后减小，在开始阶段，响应迅速增大，而后缓慢减小．关键词：斜拉桥；有限元法；桥面不平顺；车桥耦合振动中图分类号：U441．3文献标志码：A文章编号：1671—6841(2013)O2—0l15—06DOI：10．3

3、969／i．issn／1671—6841．2013．02．0250引言随着交通运输事业的快速发展，公路桥梁的跨度日趋增大，行驶车辆不断地向高速、重载的方向发展．由于桥面固有不平顺等因素的激扰作用，车辆会对桥梁产生冲击作用，可能使大跨度斜拉桥产生较大位移，致使其在车辆作用下的动力响应加剧_lI4J．这种现象随着桥梁跨度的增大而更加明显，并与桥面不平顺等级、车重等多种因素有着密切的关系，不但直接影响桥梁的工作状态和使用寿命，而且对运行车辆的平稳性和舒适性产生影响．因此，分析大跨度斜拉桥的车桥耦合振动不仅对车

4、桥系统安全性和舒适性的研究有着重要的理论意义，也对桥梁结构的设计、建造、养护、检测等具有现实意义．国内外学者对车桥耦合振动的研究已经取得了很多成果，车辆模型从简单的移动荷载发展到多自由度的质量一弹簧一阻尼体系，桥梁模型考虑的因素也变得更加复杂，计算的动力响应也越来越接近实际情况．一些新型大跨度桥梁的相继问世以及人们对车辆舒适性要求的提高，使得对车桥耦合振动问题的研究面临新的挑战．进一步研究大跨度复杂桥梁结构在各种工况下的车桥耦合振动问题，精确分析桥梁结构的受力状态和变形情况，对推动车桥耦合振动研究的深人

5、发展，确保桥梁结构设计合理和运营安全具有重要的理论和现实意义．1车桥模型1．1长门大桥有限元模型福建长门大桥主桥为双塔双索面三跨混合梁斜拉桥，跨径为149in+550in+125in．中跨主梁采用封闭扁平流线型钢箱梁，边跨主梁为混凝土箱梁，用能考虑剪切变形的梁单元BEAM188模拟．主塔为花瓶型，采用C50混凝土，用可以承受拉、压、弯、扭的BEAM4单元模拟．钢绞线斜拉索用只考虑受拉的LINK10单元模拟．图1为所建桥梁有限元模型．1．2车辆模型将车辆模拟为集中质量一弹簧一阻尼系统，考虑车体的浮沉、点头

6、以及3个轮组的浮沉共5个自由度，收稿日期：2012—09—27作者简介：李武生(1984一)，男，硕士研究生，主要从事桥梁结构动力分析研究，E—mail：liwusheng．2008@163．eom；通讯作者：王贵春(1962一)，男，教授，主要从事道路桥梁及工程结构研究，E-mail：guichunwang@163．eom．1l6郑州大学学报(理学版)第45卷将车悬架与轮胎模拟为刚度、阻尼系统，如图2所示～，一，，；图1桥梁有限元模型Fig．1Finiteelementmodelofbridge匕f＼

7、图2车辆模型示意图Fig．2Schematicdiagramofvehiclemodel2车桥耦合振动微分方程及其求解方法2．1车桥耦合振动微分方程将车桥看作两个子系统，分别建立振动微分方程．桥梁结构振动微分方程为MbZ6(t)+C6z6(t)+z6(t)=P6(t)，其中，Mb、C、K分别为桥梁结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；z(t)、Z(t)、Z(t)分别为桥梁结构的位移向量、速度向量和加速度向量；(t)为车辆作用于桥梁的力向量．车辆振动微分方程为MvZ(t)+CZ(t)+Z(t)=P(t)，其

8、中，Mc分别为车辆的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；z(t)、Z(t)、Z(t)分别为车辆的位移向量、速度向量和加速度向量；P(t)为桥梁作用于车辆的力向量．在车桥耦合振动分析中，作如下假定：(1)车轮与桥面始终保持接触，桥梁与轮组竖向位移相对值AZ(t)为AZ(t)=Z6(t)一Z(t)+r()，其中，Z(t)为桥梁上接触点位置的竖向位移，Z(t)为轮组的竖向位移，r(x)为接触点的桥面不平顺值．(2)接触面上作用力与反作用力相等，其值为P