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。     

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。     

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。     

曲线钢管混凝土组合桁架梁桥车桥耦合响应分析

为研究曲线梁桥在匀变速车辆作用下的车桥耦合效应，以干海子特大桥第1联为研究对象，通过建立二轴七自由度车辆整车模型，采用有限元分析方法，分析了匀变速行驶车辆加速度、桥面不平度、车辆离心力等参数对曲线钢管混凝土桁架梁桥动力响应的影响。研究结果表明：匀加速行驶状态下曲线钢管混凝土桥梁动力响应得到增强，桥梁外弧侧扭转趋势加大；匀加速行驶车辆加速度、离心力、桥面不平度对桥梁结构影响较大；桥面不平整度能够显著影响结构竖向动位移响应；曲线桥梁考虑离心率作用能够更加准确反映结构真实响应；匀加速车辆作用下该桥梁结构动位移冲击系数为匀速车辆状态下实测值的3～4倍，为规范取值的6～9倍；由于桥梁结构存在某一特征速度使得结构达到共振效应，各种动力响应在此速度处发生由增大到减小的突变。     

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。     

基于桥面不平度的车桥耦合振动分析

应用达朗贝尔原理推导了四分之一车辆模型和桥梁的振动平衡方程,采用Fourier逆变换法生成了各级桥面不平度序列,证明了Fourier逆变换法模拟桥面不平度的有效性和准确性,在此基础上应用Newmark法分析了某简支梁在考虑桥面不平度下的动力响应。研究结果表明,桥面不平度对桥梁动力响应影响很大,车辆受到的桥梁对其反作用力的频率受车速影响,从而影响到桥梁振动。     

双工字钢-混凝土板组合梁桥车桥耦合振动研究

双工字钢-混凝土板组合梁桥自重轻,车辆质量与主梁模态质量之比可达到1/10,可能出现过大的动力响应导致行车舒适性差,危及行车安全。为了研究该类桥车桥耦合振动机理及影响因素,对某在建的单跨35m四跨一联的双工字钢-混凝土板组合梁桥进行动力特性分析、车桥耦合振动数值模拟及行车动力响应测试。结果表明:该类桥前4阶固有频率较为接近,在不同载重和车速下可能会发生多个频率的振动,车辆过桥的附加惯性质量使结构的振动频率有所降低;试验车过桥的速度和加速度评估该桥舒适性较好;车辆载重与车速对冲击系数的影响复杂,无明显规律,路面等级越好和阻尼比越大,冲击系数越小,对桥面进行平整度处理和增加结构阻尼是降低振幅和车辆冲击效应及提高舒适性的有效方法。     

车辆作用下新型高墩曲线钢管混凝土桁架梁桥的动力性能研究

高墩钢管混凝土曲线桁架梁桥作为一种新型桥梁结构形式,其动力特性相对于常规梁桥具有特殊性,车辆作用引起的桥梁振动十分复杂。为研究该类桥梁在车辆作用下的动力响应特征和规律,以我国首座该类桥梁示范工程为背景,推导建立了曲线梁桥车桥耦合振动分析模型,编制了相应的分析程序并利用荷载试验结果予以验证。采用该车桥振动计算模型分析了桥面平整度、车速、车辆作用位置和车辆数等因素对桥梁整体和局部动力冲击效应的影响。结果表明:现行设计规范低估了该类桥的车辆冲击效应;当桥面平整度为好时,整体和局部动力放大系数分别为规范设计值的近10倍和3倍;多种构件的动力放大系数差别显著;跨中横向振动约为竖向振动的25%,该类高墩曲线梁桥在车辆作用下的横向振动问题值得关注。     

曲线连续梁桥在移动车辆作用下的振动响应分析

分别建立了具有7个自由度的3D整车模型的振动方程和连续曲线梁桥的运动方程,将车辆和曲线梁桥分为相互联系的两个振动子系统——车辆和桥梁系统。利用有限元法及模态叠加综合技术,以车轮与桥面相互接触处保持不脱离为位移协调条件,推导出车桥耦合振动方程,并运用Newmark-β数值方法对耦合系统进行迭代求解。以一实际工程桥梁为背景,分析该曲线梁桥在单车荷载作用时,不同行车速度、不同路面等级的振动响应。结果表明:车速对曲线梁桥的竖向挠度的影响很大,但对横向振动的影响比较小;在同一车速情况下,路面的不平度对曲线桥梁的冲击影响显著,路况越差,冲击越大;曲率半径越大,桥梁的横向振动响应越小,而竖向振动响应却越大。     

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.     

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。     

杭州湾跨海大桥车桥空间耦合振动参数分析

将整个车桥系统划分为车辆与桥梁两个子系统,引入车桥系统几何协调条件和力学平衡关系,采用含增量动力平衡迭代格式的Newmark-β方法编制了汽车-桥梁系统空间耦合振动分析程序,并采用弹簧质量系统匀速通过简支梁对程序的可靠性进行了验证。然后以杭州湾跨海大桥为工程实例,运用所编制程序详细研究了车辆数目、车辆间距、不同车道、车辆相向行驶、不同路面粗糙度以及不同车速时车流通过桥梁时主梁跨中的动力响应和冲击系数。研究发现:主梁跨中冲击系数随着路面粗糙度变坏而明显增大,与车辆数目、车辆间距、车辆相向行驶以及车速没有必然联系。     

公路桥梁车桥耦合振动的随机响应分析

用结构动力学理论,建立了车辆过桥时车桥耦合振动响应计算模型.采用Newmark-β积分法获得车桥耦合振动响应数值解.讨论了车辆、车速、桥面不平顺、桥的阻尼等因素对桥梁冲击系数的影响.分析表明,在设计中应综合考虑这些参数对车桥耦合振动的影响.     

大跨径钢桥面铺装层车辆动响应影响因素分析

从耦合振动的角度出发,研究大跨径钢桥面铺装层在车辆随机动荷载作用下的响应机制.将汽车等效为2自由度5参数模型,考虑桥梁表面不平顺产生的随机激励,建立车-钢桥面铺装耦合振动分析模型.利用模态分析与时变系数常微分方程求解方法,分析钢桥面铺装在车辆随机动荷载作用下的动力响应分布规律.定义由铺装层竖向位移、拉应力和拉应变表示的动力放大系数,研究车速、桥面不平度、铺装层开裂损伤和粘结层滑移等对动力放大系数的影响.结果表明,路面不平度、粘结层滑移是影响动力放大系数的主要因素,在进行大跨径钢桥面铺装结构设计时可考虑动力放大系数为1.5.     

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。     

车辆对钢筋混凝土拱桥的冲击效应简化分析方法研究

考虑受力特点和安全性,钢筋混凝土拱桥是低等级公路在山区条件下跨越沟谷的首选桥型。车辆在拱桥上运行过程中会对结构产生较大的冲击,设计中常常用动力放大系数(冲击系数)进行模拟计算。但由于车桥耦合振动、桥面不平顺等原因,车辆对钢筋混凝土拱桥的冲击效应分析过程十分复杂。基于一些简化假设,使得冲击响应计算变得较为简单,能够为一般工程技术人员所掌握并应用。通过工程实例的模拟计算表明,提出的简化分析方法合理可行,可以用来估算车辆对钢筋混凝土拱桥的冲击效应。     

基于车桥耦合振动的RC系杆拱桥加固效果评价

为了对采用吊拉主动加固方法的钢筋混凝土系杆拱桥进行基于车桥耦合振动分析的加固效果评价,首先,利用ANSYS软件建立空间梁、板和杆单元的桥梁结构有限元梁格模型,并选取三轴9自由度的车辆模型及路面不平度等级B分别模拟实际车辆及桥面状态,将梁格模型调入BDANS软件,通过数值模拟车、桥动力响应,计算得到桥梁动位移、加速度响应,研究加固前后桥梁控制截面所受到的动力冲击作用;然后,分析桥梁加固前后不同位置加速度响应的频谱特征;最后,对依托工程动力特征、动态响应及车桥耦合作用的实测值与理论值进行比较分析。结果表明：通过该方法加固后结构的竖向自振频率较加固前均有提升,但提升幅度较小;加固前后结构不同位置的动力响应随车速增加呈逐渐增大的趋势,且车速在60～80 km·h^-1时,加固后结构跨中截面的动力响应降幅最大;加固后结构控制截面的加速度均方根值小于加固前,根据其变化幅值建议车辆通过加固后桥梁结构的速度为60 km·h^-1,以保证行人过桥时的体感舒适度、通行效率及行车安全;通过理论值与实测值的对比分析,验证了基于车桥耦合振动分析方法对桥梁结构加固后行车性能评价的有效性。     

移动车辆荷载作用下大跨径连续梁桥动力响应研究

针对移动车辆荷载作用下公路桥梁动力性能设计与评价方法不足的问题,以依兰松花江公路大桥为例,运用自编程序,分析不同车辆荷载工况下桥梁冲击系数与振动加速度等动力响应指标的变化规律。结果表明,冲击系数随车辆纵向间距与车速的变化规律一致,均呈波动上升趋势;多车道时,若桥面不平整度沿横向变化不明显则冲击系数与车道数基本无关;大跨径桥梁不同部位的冲击系数有别,现行规范所采用单一断面的冲击系数计算全桥设计荷载方法的合理性值得商榷;在固定车距下,冲击系数随着加载效率的增大而呈下降趋势;振动加速度与冲击系数具有高度相关性。本文所得结论为移动车辆荷载作用下桥梁动力性能设计与评价提供了一定的依据。     

车致疲劳损伤对钢-混凝土组合梁桥极限承载力可靠度的影响

钢-混凝土组合梁桥因其发挥了2种材料各自的优势,被广泛应用于中小跨径的桥梁结构中,而极限承载能力是评判其安全与否最直观的指标之一。为了对现役钢-混凝土组合梁桥的极限承载力进行更为准确的评估,提出一种确定钢主梁极限承载能力可靠度的新方法,该方法能考虑车辆荷载引起的疲劳累积损伤对钢主梁极限承载力的影响。首先建立了三维车桥耦合振动模型,并采用美国AASHTO桥梁设计规范中的Ⅰ形简支钢-混凝土组合梁桥、强度设计车辆荷载模型和疲劳设计车辆荷载模型作为算例进行分析。然后,基于建立的车桥耦合振动程序、S-N曲线和雨流计数法,获得不同桥面状态下强度设计车以不同车速过桥时产生的动力冲击系数和疲劳设计车以不同车速过桥时产生的疲劳损伤累积和最大应力,并根据卡方检验对在不同桥面状态和不同车速下获得的这3个参数的分布类型进行检验。最后,基于剩余强度理论,利用AASHTO规范中规定的桥梁承载力设计方程,建立能考虑桥梁全寿命周期内桥面处于不同状态时车辆过桥产生的累积疲劳损伤对钢主梁极限承载能力折减的极限状态方程,并以此对钢主梁极限承载力的可靠指标进行研究,获得其与疲劳设计车日均通行量的关系。研究结果表明：桥梁极限承载力可靠度会随着疲劳设计车日通行量的增大而降低;钢主梁疲劳累积损伤对其极限承载力折减具有重要影响。提出的方法为准确评估在役桥梁的极限承载能力提供了更为有效的途径。     

基于有限元的曲线连续梁桥车桥耦合振动分析

考虑车桥耦合振动计算了汽车通过曲线连续梁桥时车辆和桥梁的振动。把车辆和曲线连续梁桥视作两个分离子体系,分别应用广义虚功原理和有限元法推导了两者的各自振动方程组,通过位移协调方程及车桥相互作用联系方程把车辆和曲线连续梁桥振动耦合起来,建立了车桥耦合振动方程,给出了采用有限元通用分析软件ANSYS实现公路曲线连续梁桥车桥耦合振动的计算方法。数值算例表明,该计算方法仅经3次迭代即可获得较高精度及可靠的数值结果,并与连续梁按规范给定的基频估算值计算的冲击系数进行对比,在平整桥面情况下,两者基本吻合,在桥面不平度等级为C级时,两者相差较大,这说明按现有规范计算曲线连续梁桥的冲击系数,在某些特定的条件下,有可能是不安全的。从而为公路曲线连续梁桥动力性能评价寻求了一种方便可靠的数值分析方法。