文档介绍：分类号:U44,U45
10710—2009021011
博士学位论文
公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动研究
蒋培文
导师姓名职称贺拴海教授
申请学位级别博士学科专业名称桥梁与隧道工程
论文提交日期 2012 年 3 月 6 日论文答辩日期 2012 年 6 月 7 日
学位授予单位长安大学
Coupled Vibration between Vehiclesand Highway
Long-Span Continuous Series Bridge
A Dissertation Submitted for the Degree of Doctor
Candidate:Jiang Peiwen
Supervisor:Prof. He Shuanhai
Chang’an University, Xi’an, China
摘要
本文研究的连续体系桥梁包括连续梁、连续刚构、连续梁—刚构组合体系三类桥梁
结构,由于其结构较为相似,在此统称为连续体系桥梁。公路大跨径连续体系桥梁因其
具有较大的跨越能力、成熟的施工技术和良好的经济性等优点,得到了广泛应用。但由
于跨径的增大,结构的纤细化,车桥耦合振动问题引起学术界和工程界的广泛关注,对
公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动及其影响分析研究具有十分重要的理论意义和
工程实用价值。
到目前为止,对于公路复杂体系桥梁车桥耦合振动及其影响因素分析方面的研究还
尚未成熟。随着有限元技术的发展和大型结构分析软件的日臻成熟,结合高性能计算机,
研究一种基于既有有限元分析软件的通用车桥耦合振动数值分析方法,以实现对任何复
杂结构桥梁在任意复杂车队行驶工况下的车桥耦合振动分析,已成为可能。本文结合西
部交通建设科技项目《高墩大跨桥梁车桥耦合振动及其影响分析研究(200831881232)》,
主要研究内容、研究方法和研究成果有:
(1)提出了一种适于公路桥梁车桥耦合振动数值分析算法:利用强大的有限元通
用软件 ANSYS,对车辆、桥梁分别独立进行建模,根据车辆模型特性以及车桥接触位移
协调条件来求解任意时刻车桥之间相互作用力,并利用 APDL 编程语言在任意时刻施加
于桥梁及车辆相关节点,基于 ANSYS 单一环境实现了车桥耦合振动问题的数值求解。通
过与既有文献结果的对比及实桥试验验证了该方法在匀速、匀变速、桥面不平整等工况
下的可行性。
(2)基于本文提出的数值算法,开发了公路桥梁车桥耦合振动响应分析系统。该
系统只需输入车辆参数及工况整体参数,即可后台调用 ANSYS 软件计算出任意复杂结构
体系桥梁的车桥耦合振动响应,计算完成后自动进行数据处理并生成结果 EXCEL 图表。
系统可同时考虑车辆模型参数(车轴数、弹簧参数、质量参数等)、车辆行驶参数(匀
速行驶、匀变速行驶、多车辆以不同速度行驶等)、桥面平整度参数(各种等级桥面)
的变化。此分析系统已获得。
(3)针对不平整桥面的模拟及评价问题、MIDAS 与 ANSYS 的模型转化问题、时程响
应曲线的冲击系数分析问题、车内人员在振动环境下的舒适性评价问题等车桥耦合振动
研究相关问题,分别开发了相关分析软件并申请计算机软件著作权登记,以满足研究需
i
要,提高工作效率。
(4)以高墩大跨连续刚构桥为背景,应用已开发的车桥耦合振动响应分析系统,研
究了车桥耦合振动中的车体质量、车辆竖向振动基频、车辆数量、桥面平整度等级、车
辆行驶速度、车辆行驶加速度等参数独立变化时,桥梁主梁及桥墩控制截面的挠度冲击
系数、弯矩冲击系数、竖向加速度峰值以及车辆竖向加速度峰值的变化规律。
(5)以 4 座大跨连续体系桥梁的结构尺寸为原型,虚拟了 32 座跨径 80~200m,墩
高 0~100m 的连续体系桥梁。通过正交试验,对单车辆行驶过桥工况和多车辆行驶过桥
工况分别进行了桥梁控制截面的挠度冲击系数、弯矩冲击系数、竖向加速度峰值以及车
辆的竖向加速度峰值的敏感性参数分析。给出了总跨数、墩高、中跨跨径、桥面平整度
等级、桥墩构造、车辆行驶速度、车辆竖向振动基频、车辆行驶间隔时间(单车辆行驶
工况不考虑)、车道间错位(单车辆行驶工况不考虑)等影响因素对桥梁各项动态响应
参数的影响及其变化规律。
(6)对 14 座桥梁在不同车速、不同桥面平整度等级下的车桥耦合振动响应进行了
分析计算,根据计算结果进行了主梁冲击系数、桥墩冲击系数、主梁跨中竖向加速度峰
值、车辆驾驶员处竖向加速度峰值等计算公式的数值回归。各回归公式中除桥梁结构的
基频外,考虑了对耦合振动影响明显的桥面平整度参数,弥补了现行规范