大跨度公路斜拉橋車橋耦合振動豎向響應分析.pdf

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1、第45卷第2期鄭州大學學報(理學版)Vo1．45No．22013年6月J．ZhengzhouUniv．(Nat．Sci．Ed．)Jun．2013大跨度公路斜拉橋車橋耦合振動豎向響應分析李武生，王貴春，陳衛(wèi)麗，張校衛(wèi)(鄭州大學土木工程學院河南鄭州450001)摘要：在數(shù)值分析軟件MATLAB平臺上，運用三角級數(shù)法將橋面不平順模擬為具有各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程．根據(jù)有限元法建立大跨度斜拉橋分析模型，將車輛模擬為5個自由度的質量一彈簧一阻尼體系，分別建立車輛和橋梁結構的振動微分方程，通過位移協(xié)調和力的平衡條件形

2、成車橋系統(tǒng)的耦合振動微分方程．采用Newmark—p法，利用有限元分析軟件ANSYS編寫了迭代計算的APDL命令流，進行主跨為550m的福建長門大跨度公路斜拉橋的車橋耦合振動分析．計算結果表明：橋梁結構動力響應隨橋面狀況的惡化而顯著增大，隨結構阻尼的增大而近似呈線性關系減?。S車重的增加而先增大后減小，在開始階段，響應迅速增大，而后緩慢減?。P鍵詞：斜拉橋；有限元法；橋面不平順；車橋耦合振動中圖分類號：U441．3文獻標志碼：A文章編號：1671—6841(2013)O2—0l15—06DOI：10．3

3、969／i．issn／1671—6841．2013．02．0250引言隨著交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，公路橋梁的跨度日趨增大，行駛車輛不斷地向高速、重載的方向發(fā)展．由于橋面固有不平順等因素的激擾作用，車輛會對橋梁產(chǎn)生沖擊作用，可能使大跨度斜拉橋產(chǎn)生較大位移，致使其在車輛作用下的動力響應加劇_lI4J．這種現(xiàn)象隨著橋梁跨度的增大而更加明顯，并與橋面不平順等級、車重等多種因素有著密切的關系，不但直接影響橋梁的工作狀態(tài)和使用壽命，而且對運行車輛的平穩(wěn)性和舒適性產(chǎn)生影響．因此，分析大跨度斜拉橋的車橋耦合振動不僅對車

4、橋系統(tǒng)安全性和舒適性的研究有著重要的理論意義，也對橋梁結構的設計、建造、養(yǎng)護、檢測等具有現(xiàn)實意義．國內外學者對車橋耦合振動的研究已經(jīng)取得了很多成果，車輛模型從簡單的移動荷載發(fā)展到多自由度的質量一彈簧一阻尼體系，橋梁模型考慮的因素也變得更加復雜，計算的動力響應也越來越接近實際情況．一些新型大跨度橋梁的相繼問世以及人們對車輛舒適性要求的提高，使得對車橋耦合振動問題的研究面臨新的挑戰(zhàn)．進一步研究大跨度復雜橋梁結構在各種工況下的車橋耦合振動問題，精確分析橋梁結構的受力狀態(tài)和變形情況，對推動車橋耦合振動研究的深人

5、發(fā)展，確保橋梁結構設計合理和運營安全具有重要的理論和現(xiàn)實意義．1車橋模型1．1長門大橋有限元模型福建長門大橋主橋為雙塔雙索面三跨混合梁斜拉橋，跨徑為149in+550in+125in．中跨主梁采用封閉扁平流線型鋼箱梁，邊跨主梁為混凝土箱梁，用能考慮剪切變形的梁單元BEAM188模擬．主塔為花瓶型，采用C50混凝土，用可以承受拉、壓、彎、扭的BEAM4單元模擬．鋼絞線斜拉索用只考慮受拉的LINK10單元模擬．圖1為所建橋梁有限元模型．1．2車輛模型將車輛模擬為集中質量一彈簧一阻尼系統(tǒng)，考慮車體的浮沉、點頭

6、以及3個輪組的浮沉共5個自由度，收稿日期：2012—09—27作者簡介：李武生(1984一)，男，碩士研究生，主要從事橋梁結構動力分析研究，E—mail：liwusheng．2008@163．eom；通訊作者：王貴春(1962一)，男，教授，主要從事道路橋梁及工程結構研究，E-mail：guichunwang@163．eom．1l6鄭州大學學報(理學版)第45卷將車懸架與輪胎模擬為剛度、阻尼系統(tǒng)，如圖2所示～，一，，；圖1橋梁有限元模型Fig．1Finiteelementmodelofbridge匕f＼

7、圖2車輛模型示意圖Fig．2Schematicdiagramofvehiclemodel2車橋耦合振動微分方程及其求解方法2．1車橋耦合振動微分方程將車橋看作兩個子系統(tǒng)，分別建立振動微分方程．橋梁結構振動微分方程為MbZ6(t)+C6z6(t)+z6(t)=P6(t)，其中，Mb、C、K分別為橋梁結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；z(t)、Z(t)、Z(t)分別為橋梁結構的位移向量、速度向量和加速度向量；(t)為車輛作用于橋梁的力向量．車輛振動微分方程為MvZ(t)+CZ(t)+Z(t)=P(t)，其

8、中，Mc分別為車輛的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；z(t)、Z(t)、Z(t)分別為車輛的位移向量、速度向量和加速度向量；P(t)為橋梁作用于車輛的力向量．在車橋耦合振動分析中，作如下假定：(1)車輪與橋面始終保持接觸，橋梁與輪組豎向位移相對值AZ(t)為AZ(t)=Z6(t)一Z(t)+r()，其中，Z(t)為橋梁上接觸點位置的豎向位移，Z(t)為輪組的豎向位移，r(x)為接觸點的橋面不平順值．(2)接觸面上作用力與反作用力相等，其值為P