中国公路车-桥耦合振动车辆模型研究

为了提出适用于中国车-桥耦合振动分析的车辆动力分析模型,首先基于中国桥梁规范中的设计车辆荷载,结合大量调查统计数据和等效静力分析方法,初步拟定车辆动力分析模型的几何尺寸、质量、刚度、阻尼等参数取值,并与国内外广泛采用的几种车辆模型的参数取值进行对比。接着选取4座钢筋混凝土简支梁桥并建立其三维有限元模型,基于车-桥耦合振动数值模拟分析车辆模型的刚度、阻尼等参数对桥梁上动力冲击系数的影响,并对比几个不同车辆模型对动力冲击系数的影响。最后,选择中国湖南省境内一座实桥和几辆不同轴数的重车开展实桥试验,将实测动力冲击系数与所提车辆模型数值模拟获得的冲击系数进行对比。结果表明:动力冲击系数随车辆总质量的增大而减小,随车辆整体刚度的增大而增大,但随车辆整体阻尼的增大呈先减小后增大的趋势;单个车轴的刚度和阻尼对动力冲击系数的影响不明显;车辆总质量是导致不同车辆模型作用下动力冲击系数差异的主要因素;数值模拟结果与实测结果吻合良好,验证了所提车辆模型及参数取值的合理性;该车辆模型可用于中国的设计车辆荷载作用下桥梁的动力响应分析和相关研究,也可用于估算重量相当的不同类型车辆对桥梁的动力冲击效应。     

简支钢板组合梁桥动力冲击系数研究

为研究简支钢板组合梁桥动力冲击系数，根据我国钢板组合梁桥实际应用情况，设计了150座不同参数组合的简支钢板组合梁桥，结合中国规范五轴车辆模型，建立车辆—桥梁耦合动力分析系统，通过数值模拟对冲击系数进行求解，分析不同参数对冲击系数的影响规律，最后提出基于跨径的冲击系数计算表达式，并与境内外规范进行对比分析。结果表明：简支钢板组合梁桥跨径、主梁数量、斜交角、车道数量、车辆车速均对冲击系数具有显著的影响，在60 m以下范围内冲击系数随跨径增大逐渐增大，超过60 m时，随跨径增大，冲击系数逐渐减小；主梁数量越多，冲击系数越小；斜交角超过45°时，应关注扭转导致的冲击系数放大作用；车道数量对冲击系数影响较小，冲击系数随车速的增加线性增长。可见，本研究计算的钢板组合梁桥冲击系数取值及其随跨径的变化规律与境内外规范相比存在明显差异，我国规范规定的冲击系数取值在40 m以下跨径中偏保守，当跨径超过40 m时，取值偏不利。研究结果可为简支钢板组合梁桥冲击系数取值提供参考。     

中小跨径公路混凝土简支梁桥冲击系数研究及建议取值

为弥补中国现行桥梁规范中计算动力冲击系数时考虑因素单一的不足,对冲击系数的影响因素进行研究,并提出更合理的冲击系数建议值。首先,根据中国桥梁通用图集建立13座不同截面形式和不同跨径的常见中小跨径公路混凝土简支梁桥的有限元模型,结合能表征中国设计车辆荷载动力特性的三维车辆数值模型,建立车桥耦合振动分析系统。然后,基于车桥耦合振动分析系统,研究桥梁基频、桥面不平整度、车速和车质量等因素对动力冲击系数的影响,并与中国现行桥梁设计规范中的动力冲击系数取值进行对比分析。最后,提出冲击系数的建议值,并与世界各国桥梁规范中的冲击系数取值进行对比,讨论建议值的合理性。结果表明:桥面不平整度是影响冲击系数的重要因素,在桥面好的情况下,冲击系数均在0.1以下,低于规范中规定的冲击系数,而桥面很差时,冲击系数可达0.5,远大于中国现行规范中的冲击系数设计值,因此,定期对桥面进行维护能有效减小车辆对桥梁的冲击效应;质量轻的车辆引起更大的冲击系数,但由于车辆总质量轻,其导致的总荷载效应仍然较小,而重车虽然引起的冲击系数较小,但由于其导致的总荷载效应较大,更易对桥面造成损伤,因此,限制超载尤为重要。     

公路钢拱塔斜拉桥车致振动试验与数值分析

为了研究沈阳市三好桥(公路钢拱塔斜拉桥)在汽车荷载作用下的动态响应,通过测试得到不同速度的车辆通过时桥梁的竖向振幅和冲击系数,通过数值分析得到不同阻尼桥梁相应的动态响应和动力放大系数。分析结果表明:桥面平整的桥梁可采用数值方法计算桥梁的动态响应及其动力放大系数;主梁的位移和弯矩的冲击系数与车速呈波动变化,塔根弯矩的冲击系数、斜拉索和水平索最大索力和应力幅的冲击系数随着车速的增大而增大;不考虑阻尼时,桥梁各响应量的冲击系数的值偏大;考虑阻尼比时,各响应量的冲击系数随着桥梁阻尼比的增大而减小;阻尼比较小的桥梁,阻尼比对其动力响应影响较小。     

多跨连续梁桥荷载试验及承载力评价研究

以某城市立交的七跨连续梁桥为例,开展了成桥动、静荷载试验。根据静载试验的实测挠度和应变,计算校验系数,确定连续梁桥的实际承载能力;进行行车动载试验,确定连续梁桥的主要参与工作频率成分及实际冲击系数,并将实测冲击系数与数值模拟的冲击系数及按各国规范计算的冲击系数对比分析。研究结果表明:该多跨连续梁桥的刚度、强度及动力性能等均满足要求,桥梁性能良好,实际承载能力符合设计要求。     

CFRP束体外预应力桥梁动力特性研究

对国内首座CFRP束体外预应力公路桥梁进行荷载试验。试验结果表明何圩桥前2阶自振频率实测值与理论值接近。CFRP束体外预应力桥梁的冲击系数随加载车辆行驶速度的增加而增大。实测冲击系数小于规范中规定值,桥面的平整度较好且具有较好的行车性能。试验进一步证明了体外预应力桥梁设计方法和相关设计参数取值的合理性,对于完善CFRP束体外预应力桥梁的设计方法和积累体外预应力桥荷载试验经验具有重要意义。作为试验桥,何圩桥可为CFRP束用做桥梁体外预应力提供参考。     

基于车桥耦合振动的大跨度斜拉桥冲击系数研究

考虑车辆荷载对桥梁结构的冲击作用是现代桥梁设计中的重要内容之一。为了研究桥梁结构在车桥耦合振动情况下所受到的冲击效应,以润扬长江大桥北汊桥主桥为例进行了分析。分别利用有限元法和动力平衡原理建立了桥梁结构动力分析模型和车辆的多刚体动力学模型。以桥面不平顺为激振源,借助于车辆和桥梁两个子系统之间力和位移的协调条件,用Newmark-β法求解车桥系统的振动微分方程,分析桥梁结构的动力响应和冲击系数。计算结果表明,桥面不平顺对桥梁冲击系数有明显的影响,车速的增加使剪力冲击系数显著增大,车重的增加使各种冲击系数均有所降低,车辆运行路线与桥梁中心线距离的增大使扭矩冲击系数增加。     

考虑轨道不平整影响下城市轨道交通PC连续梁的冲击系数研究

依托城市轨道桥梁中一座三跨预应力混凝土连续梁桥开展实桥动力学试验,测试得到跨中动挠度时程曲线,建立了轨道列车-桥梁耦合有限元模型,通过与实测数据对比,验证了有限元模型的有效性。基于车桥耦合有限元模型,开展考虑轨道不平整度及桥梁跨径的双参数影响下冲击系数研究,分析后发现:实际测量得到的冲击系数较我国铁路规范值偏大;不平整度及桥梁跨径对桥梁结构的冲击系数影响明显,考虑不平整度影响后,冲击系数取值较我国现行铁路规范中规定值偏大;同一跨径下不平整度等级越差,冲击系数取值也越大。     

独塔单索面斜拉桥动力特性分析与试验研究

独塔单索面预应力混凝土斜拉桥的动力特性有别于普通的大跨多塔斜拉桥,掌握其性能对研究其抗震性能与车振性能至关重要。通过某独塔单索面斜拉桥的现场脉动试验、跑车试验、跳车试验以及刹车试验等,测试了该桥的频率、振型、阻尼系数及冲击系数等动力参数。同时采用有限元分析方法建立了该桥的三维空间有限元模型,并进行了动力特性分析。对比结果显示,数值分析与实测吻合较好,该桥实际动刚度大于设计动刚度。     

简支T梁桥冲击系数计算公式研究

针对现行规范汽车荷载冲击系数计算公式对实桥影响因素考虑欠全面的状况,在传统试验法的基础上提出"加权修正法",以常见3种跨径简支T梁桥为研究对象,采用九自由度三轴空间车辆模型,建立车-桥耦合振动系统分析模型,在不同桥面等级状况下计算了不同加载位置、不同车速时T梁跨中截面的动挠度时程曲线,用基于试验法的"加权修正法"计算得各冲击系数,将结果与我国现行规范、美国规范、加拿大规范进行对比分析,回归出不同桥面等级下的冲击系数计算公式。研究结果表明:对于B、C级桥面,我国04规范冲击系数取值是偏不安全的,文中"加权修正法"更真实地反映了桥梁冲击系数的值,冲击系数回归公式更加精确、合理。     

4种车辆模型作用下T形刚构桥冲击系数对比研究

对比研究了4种车辆模型(移动弹簧质量车模型、四分之一车模型、二分之一车模型及整车模型)作用下T形刚构桥的冲击系数.结果表明:光滑桥面下,4种车辆模型作用下桥梁的冲击系数接近;考虑桥面不平顺影响下,移动弹簧质量车模型及四分之一车模型不适宜于研究离散桥面不平顺冲击系数,二分之一车模型及整车模型冲击系数接近;最后将实桥检测结果与数值模拟结果进行对比,结果显示该桥冲击系数基本满足<公路桥涵设计通用规范>(JTG D60-2004)(简称04<桥规>)的要求.     

车桥耦合振动系统模型下桥梁冲击效应研究

把桥梁和车辆看作车桥耦合振动体系的两个分离子系统,基于ANSYS软件建立了3种车辆和桥梁的有限元模型。考虑桥面不平度影响,以车轮与桥梁接触点的位移作为协调条件,采用分离迭代算法计算了车桥耦合系统的动力响应。采用快速傅立叶逆变换的方法,应用三角级数叠加模拟了5种等级的桥面不平度及其速度项。通过对一简支梁桥车桥耦合振动的数值模拟,研究了车辆模型、桥面状况和车速对桥梁冲击效应的影响。结果表明:不同车辆模型对桥梁的冲击效应差别很大,桥面不平度对冲击效应的影响较车速大,桥梁的位移冲击效应大于内力冲击效应。因此,设计分析时宜采用能充分模拟车辆特性的复杂模型,移动荷载冲击系数取值建议以位移冲击系数为基准。     

“桥头跳车”对连续梁桥动力响应的影响分析

“桥头跳车”是由路基与桥台连续处的高差而引起的车辆跳跃现象。本文参照简化的车辆模型和桥梁模型建立了车—桥相互作用的数学模型,提出了一种车—桥振动简化计算方法。利用该方法考虑“桥头跳车”对连续梁桥各特征截面动力响应的影响,通过数值分析可定性地确定“桥头跳车”现象对汽车荷载冲击系数取值的影响,为将来冲击系数的进一步修改提供参考。     

基于车-桥耦合的钢波纹板动力分析方法对比研究

钢波纹板结构在车辆运行下的动力分析主要依赖于实验,为了弥补实验的不足,基于3种车-桥耦合模型,以一座跨径为6. 32 m的大波形钢波纹板桥梁为数值算例,对钢波纹板结构的动力分析方法做对比研究,并分析不同车速下的结构动力性能,结果表明:采用移动荷载模型分析本文数值算例较为合理;奇数测点的最大动应变分析值高于实测值,而偶数测点的最大动应变低于实测值,说明将钢波纹板等效为材料异性的矩形板会低估桥梁横向应变;实测阻尼均值为0. 31,分析阻尼均值为0. 197,误差约35%; 10 km/h时应变增大系数为1. 18,20 km/h时应变增大系数为1. 41,30 km/h时应变增大系数为1. 60;钢波纹板结构的动力性能与车速有关,位移、应变和动力增大系数在某一特定车速下达到最大值。     

考虑车桥耦合振动的钢梁桥腹板间隙的疲劳分析

分析钢梁桥腹板间隙的疲劳问题时,其应力通常是基于疲劳荷载作用下的静应力叠加一个动力冲击系数来确定。已有研究表明:规范中的疲劳冲击系数低估了实际路面状况下的车辆动力冲击效应,往往导致腹板间隙的实际疲劳寿命低于设计寿命。基于此现状,研究了在假定的车辆和环境条件下路面的退化规律。建立了几座不同跨径的简支Ⅰ型钢梁桥和疲劳车的三维模型,通过车桥耦合振动分析,研究了实际桥面状况下车辆荷载动力效应对腹板间隙产生的应力幅冲击系数,并评估了腹板间隙的疲劳寿命。结果表明:基于腹板间隙应力幅计算的冲击系数大于传统基于应力的冲击系数;美国AASHTO桥梁规范中采用的疲劳冲击系数在路面条件较差时低估了车辆荷载动力效应。最后提出了腹板间隙疲劳评估应力幅冲击系数建议取值。     

多片梁组成的简支梁桥车桥耦合振动响应研究

根据多片梁组成的装配式简支梁桥的特点,横向梁之间采用铰接,车辆模拟为九自由度整车模型,桥面不平顺激励采用三角级数叠加法模拟,建立了该类桥梁的车桥耦合振动响应分析模型,结合模态叠加法和Newmark逐步积分法求解系统方程,研究了移动车辆荷载作用下多片简支梁桥的振动响应及冲击系数.以某一实际工程桥梁为背景,分析了该桥在单车荷载作用时,不同行车速度、不同路面等级以及不同横向作用位置下的振动响应及冲击系数;研究了车辆自振频率的变化对桥梁振动响应的影响.研究结果表明,边梁冲击系数比中梁大,路面等级是影响汽车活载冲击系数大小的重要因素.     

重型汽车荷载作用下简支梁桥的动力反应分析

基于结构动力学理论,视桥梁与车辆为一个相互作用的整体系统,建立了桥梁在移动车辆荷载作用下振动的计算模式.在分析中,汽车采用2轴模型,桥梁结构模拟为梁单元,统一列出车桥系统的动力方程,编制了计算程序.对实际预应力混凝土简支箱梁桥在重型汽车作用下的动力冲击效应进行了计算,并与轻型汽车荷载作用下产生的动力冲击系数进行了比较.     

某大跨径双塔单索面矮塔斜拉桥动载试验研究

以某大跨径双塔单索面矮塔斜拉桥为依托工程开展数值仿真分析、动载试验和相关比较分析。分析结果表明:实测主梁前四阶竖向弯曲自振频率均比理论计算值大,结构有一定的刚度储备;实测主梁前四阶振型与计算振型基本吻合,未见明显变异区段;该桥梁的动力特性符合设计要求。在无障碍行车工况下,该桥测试部位的冲击系数均大于计算冲击系数,基本随车速的提高而提高;在制动试验和有障碍行车工况下,该桥测试部位的冲击系数相对较大,表明当桥面不平整时,桥面行车对桥梁结构的冲击效应将明显增大。对于结构基频较小的大跨径矮塔斜拉桥,按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)对桥梁冲击系数取值偏不安全或安全储备偏小,有待进一步研究和探讨。     

车辆-模数式伸缩缝耦合振动与冲击荷载分析

为研究导致伸缩缝及其相邻路面损坏的车轮冲击荷载,以桥梁工程中常用的模数式伸缩缝为例,提出一种车辆-桥梁-模数式伸缩缝耦合振动的分析方法。该方法通过分布式弹簧阻尼单元模拟车轮在伸缩缝上的脱空情况;采用等效悬臂或两侧支撑梁模型,考虑脱空段轮胎面的支撑作用,通过车辆-桥梁-伸缩缝耦合振动的迭代算法,实现模数式伸缩缝上的车轮动力荷载的准确模拟,并对载重汽车通过双缝模数式伸缩缝进行实例分析。研究结果表明：①由于伸缩缝结构和车轮位置的变动,很难保证车辆振动的对称性,因此需要采用三维有限元方法分析车轮冲击荷载;②伸缩缝空隙处轮胎面的支撑有助于减小车轮冲击荷载,该支撑刚度与胎面预拉应力密切相关,胎面预拉应力越大,支撑刚度越大,轮载冲击系数越小;③车辆不对称振动导致左右轮冲击系数不同,模数式伸缩缝的中梁跨中冲击系数最大;④模数式伸缩缝上的轮载冲击系数计算值可能超过中国伸缩缝设计指南规定值,该方法可用于确定模数式伸缩缝的最大容许间隙,使车轮冲击荷载小于设计值,以保障伸缩缝的安全服役。     

整体式桥台桥梁的动力试验研究

研究了上坂大桥(中国最长的采用整体式桥台的无伸缩缝桥梁,简称为整体式桥台桥梁)在天然脉动荷载作用下的自振特性,得到关于该类桥梁自振特性的结论;采用结构分析软件ANSYS建立全桥的空间模型,计算该桥的自振特性,并与实测结果进行比较,结果表明:有限元模型具有较好的可靠性;实桥试验还测试了无障碍行车试验和跳车试验作用下桥梁的强迫振动特性,结果表明:该类桥梁的冲击系数值较大,而现行技术规范的取值值得商榷;此外该类桥梁具有较强的耗能能力,抗震性能较好。研究结果有助于对该类桥梁动力特性的认识和进一步开展无伸缩缝桥梁的抗震性能研究。