基于ANSYS的公路桥梁车桥耦合振动响应数值分析方法

车桥耦合问题一直是工程界十分关心的问题,从最初的试验取得到目前的数值计算,已有不少理论成果,但目前众多的数值分析方法大多需编制专用的分析程序来求解,而且仅限于简单桥梁.最近几十年,结构复杂且轻型化的桥梁大量涌现,再加上汽车荷载的复杂性和不确定性,车桥耦合振动分析变得更加复杂和困难.本文建立了车桥耦合振动的力学分析模型,把桥梁和车辆视作两个分离体系,分别应用广义虚功原理和有限元法推导了两者的振动方程组,并给出了位移联系方程及车桥相互作用协调方程;提出了基于ANSYS来实现公路桥梁车桥耦合振动分析方法,并通过算例分析表明,本文方法仅经三次迭代即可获得较高精度及可靠的数值结果,从而为公路复杂桥梁动力性能评价提供了一种简便且可靠的数值分析方法.     

地震与风联合作用下大跨桥梁车-桥耦合振动分析

为了研究大跨桥梁在风、车及地震联合作用下的动力响应,在已有风-车-桥耦合振动分析程序的基础上,利用大质量法模拟桥梁受到的地震作用,建立了地震-风-车-桥耦合振动分析的数值模拟平台,通过质量-弹簧-阻尼系统模拟车辆模型,利用有限元方法建立桥梁模型,采用谱表示法模拟路面粗糙度、风场和地震动,通过分离迭代方法求解地震-风-车-桥耦合振动系统的动力响应。以主跨1 088 m的苏通大桥为例,基于建立的地震-风-车-桥耦合振动分析平台,计算分析了日常风荷载与地震联合作用下桥梁和车辆的动力响应;并进一步探究了地震动完全空间变异性对地震-风-车-桥耦合系统车桥动力响应的影响。结果表明：处于日常运营阶段的大跨桥梁结构（仅承受风和车辆荷载）受到突发地震时,桥梁和桥上行驶车辆的动力响应将急剧增加,地震动对车-桥系统动力响应起控制作用;与地震-车-桥系统中的桥梁响应相比,考虑风荷载会增加主梁跨中的横向振动,但对主梁跨中的竖向振动会有抑制作用;与只考虑地震荷载作用的车桥响应相比,同时考虑地震和平均风速为20 m·s^-1的脉动风荷载联合作用下的主梁跨中横向位移极值最大增大约40%。虽然地震动是车桥耦合振动的控制荷载,但是日常风荷载对大跨桥梁车桥振动的影响不可忽略。地震发生后,车辆的横向加速度极值超过0.5g,竖向加速度极值接近1g,可能引起车辆的侧滑或翻滚,车辆的运行行为有待进一步研究。与仅考虑地震动行波效应相比,考虑地震动完全空间变异性的车桥振动响应不仅在波形上产生很大差异,而且响应极值也发生了较大的变化,可见在地震动输入时需要考虑完全空间变异性来保证得到的车桥响应结果偏于安全。     

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。     

基于桥面不平顺的车桥耦合振动分析

把车辆和桥梁结构看成相互作用的两个子系统,分别建立二者的力学模型和振动微分方程。在求解过程中,通过位移协调条件和两个子系统间相互作用力相等的原则把两个子系统的振动微分方程耦合起来。利用有限元分析软件ANYSYS的二次开发语言APDL编写了求解车桥系统耦合振动微分方程的迭代计算命令流。以桥面不平顺为激振源,分析了主跨为550 m的福建长门大桥当多车辆通过时在各级桥面不平顺情况下的动力响应。计算结果表明,随着桥面不平顺程度的增加,桥梁结构和车体的动力响应均呈非线性增大,其中桥梁主跨跨中位移、主跨最外侧拉索应力和车辆加速度变化显著。     

基于支座反力的桥梁动态称重方法

为了解决传统基于应变的桥梁动态称重(BWIM)方法存在的精度不高和车轴探测传感器存在的可适用桥型有限、复杂工况下可靠度低的问题,提出了一种基于支座反力识别移动车辆行驶速度、轴距、轴重和总重的桥梁动态称重新方法。首先介绍了车桥耦合振动系统的建立和求解过程以及基于桥梁支座反力的车轴识别理论,建立了试验室车桥振动缩尺模型,并通过模型试验对提出方法的有效性和精度进行了验证。然后基于数值模拟,研究了路面不平整度、车辆行驶速度、噪声水平等重要因素对该方法识别精度的影响。最后,将此方法与既有基于桥梁弯曲应变的桥梁动态称重方法进行了对比。研究结果表明:该方法能够准确识别车辆的行驶速度、轴距、轴重和总重信息,模型试验和数值模拟结果均显示车辆行驶速度、轴距、轴重的识别误差能控制在5%以内,车辆总重误差能控制在2%以内;该方法的识别精度优于传统基于弯曲应变的动态称重方法,且车速越高时,该方法精度优势越明显;该方法在路面不平整、噪声等因素的干扰下仍然具有良好的稳定性。     

公路斜拉桥在汽车车列荷载作用下的振动响应研究

由于桥梁上的车辆荷载是一个带有质量的振动系统,从而使得桥梁在该荷载作用下的动力响应问题比一般结构动力系统的响应问题更复杂.通过建立车桥耦合单元,形成汽车桥梁整体系统的动力学方程.并以一座大跨斜拉桥为例,研究了在随机不平顺桥面激励下汽车车列荷载的偏载及行驶速度对斜拉桥结构的动力响应.     

车桥耦合振动的桥面非平稳随机激励模拟

为研究桥面非平稳随机激励对车桥耦合系统的影响,采用滤波白噪声法生成单轮桥面非平稳随机激励时域模型,结合车辆前后轮的时间滞后和左右轮的相干关系,生成车辆六轮相关的桥面非平稳随机激励样本并验证了样本的有效性。分析一座3×30 m连续T梁桥和一辆三轴重载汽车在非平稳桥面激励下的车桥耦合振动响应,现场实测桥面不平度,并采用传统蒙特卡罗法对车辆和桥梁的振动响应进行计算。研究结果表明:根据车辆六轮间的时间滞后关系和相干函数关系所建立的桥面非平稳随机激励模型满足目标相干函数和功率谱密度,且时间滞后关系明确,模型有效可靠;当车辆加速行驶时,因桥面不平顺引起的非平稳随机激励信号的幅值随速度的增大而增大,非平稳激励下的桥梁和车辆振动响应大于平稳激励所产生的振动响应;非平稳激励对桥梁振动响应的均值影响很小,但对车辆振动响应均值影响较大,车辆振动对桥面随机激励更敏感;非平稳激励对车辆和桥梁振动响应标准差的影响较大,且振动响应标准差随着车辆加速度的提高而增大;研究车桥耦合振动很有必要考虑车辆非匀速行驶而引起的桥面非平稳随机激励,建议车辆匀速通过桥梁,尽量避免在桥上加速行驶。     

车辆荷载作用下大跨桥梁的随机振动

基于随机轨道粗糙度和车桥偶合单元,提出了大跨桥梁移动车辆荷载作用下随机振动的计算模式.采用功率谱密度函数生成随机的轨道粗糙度,车辆模拟为4轴模型,桥梁模拟为梁单元,考虑桥梁的几何非线性,对一座实际大跨斜拉桥的冲击效应进行了研究,并分析了随机样本数目、阻尼及车辆速度的影响.     

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。     

公路桥车桥耦合振动的隐式和显式分析方法研究

求解公路桥在车辆荷载作用下的振动响应,不仅能为设计提供参考,还可以为桥梁运营阶段的管理和养护提供依据。对比分析车桥耦合振动的隐式和显式分析方法,分别在Matlab自编程序和LS-DYNA有限元程序中建立隐式模型和显式模型,以一座简支空心板梁桥为算例,用两种分析方法分别求解该桥在移动车辆荷载作用下的振动响应,并将数值计算结果与实测结果对比,分析两种方法的合理性。研究结果表明,两种建模分析方法各有利弊,显式建模计算结果峰值偏大,综合考虑,建议采用隐式建模分析方法求解车桥耦合振动响应。     

路桥过渡段车路动力学分析方法研究

为探寻路桥过渡段桥台与引道之间容许差异沉降的理论确定方法，车辆采用两自由度体系模型，路桥过渡段采用不设搭板的台阶模型，行进方向取下桥向，认为车辆通过路桥过渡段作自由振动，给出了车辆振动方程和初始条件，分别用振型叠加法和拉普拉斯变换法进行了车路动力学分析，求出了人的竖向加速度和路面对车辆的作用力。2种方法计算结果非常吻合，表明当车辆模型和路桥过渡段模型较复杂时，路桥过渡段车路动力学分析可以采用拉普拉斯变换法，其中拉氏数值逆变换采用Crump法，计算程序的编制采用MATLAB语言。     

荆州楚都大道跨海子湖特大桥设计

楚都大道是荆州市城市向北发展的主干道,也是进入荆州市园博园的主通道,桥型方案采用多跨变截面连续梁桥,整体一联布置,桥梁跨径布置为65 m+123 m+156 m+123 m+10×90 m+55 m,全长1434 m(含桥台).此类跨度和长度的桥梁没有成熟的工程实例,大桥连续梁长度为国内和国际同类型桥梁的总长度第一.     

简支梁桥面连续构造的有限元分析与改进

桥面连续构造是简支桥梁的一个重要构造措施,但很容易损坏,且易损难修,是公路简支桥梁的通病。通过梳理目前常用的桥面连续构造型式,分析了其受力机理。对目前常规的多跨径简支梁桥的梁端变形进行了分析比较,在此基础上通过对两种桥面连续构造进行有限元计算分析,得出了桥面连续在最不利情况下的应力和裂缝宽度。对比发现植入式桥面连续构造能将混凝土变形在一定范围内分散,从而大幅减小了桥面连续处的应力和计算裂缝宽度,具有较高的应用价值。     

基于车辆响应的桥梁间接测量与监测研究综述

中小跨径桥梁量大面广且维护投入相对较少，如何实现快速、经济且准确的状态评估与损伤诊断是交通基础设施管理中亟待解决的关键问题。2004年，Yang等首创了基于车辆响应的桥梁间接测量法（也称“车辆扫描法”），因具有高机动性、快速、可连续测试等显著优点，在国内外备受广泛关注与推崇。为了推动桥梁驱车间接测量法的技术落地并探索其未来发展方向，综述了国内外基于车辆响应的桥梁间接测量与监测研究进展。首先，对基于车辆响应的桥梁间接测量理论进行简述，通过解析推导验证了利用车辆响应间接识别桥梁模态频率与振型的可行性，揭示了该方法的核心原理；然后，回顾了间接测量法在识别桥梁模态参数（频率、振型、阻尼比）、损伤和桥面不平整度等方面的理论和数值研究进展；最后，综述了基于间接测量法的模型试验和和现场试验现状。文献综述表明：基于车辆响应的桥梁间接测量与监测方法，在桥梁快速检测与损伤诊断中具有显著优势和广阔应用前景，有望为量大面广的中小跨径桥梁的检测监测与管理维护提供一套快速、经济且准确的技术方法。     

强风环境下斜拉桥车桥系统动力响应分析研究

基于模态综合分析理论,在推导复杂车辆模型刚度、阻尼矩阵和建立车桥系统风荷载模型的基础上,提出一种全面考虑动力风载效应的车桥系统动力响应分析方法,结合桥例对强风环境下的斜拉桥车桥系统的动力响应进行了分析研究。结果表明:强风下桥梁竖向位移响应受风载影响显著,横向位移响应主要由风荷载控制;低风速下桥梁的振动加速度响应受风荷载影响较大;风荷载引发的桥梁振动对车辆竖向位移和加速度响应影响较大,横向响应由风载和桥梁响应控制,风载对车桥系统动力响应影响明显。所提出的方法具有较高的精度和分析效率,可为其他类型大跨桥梁的相关分析提供参考。     

混凝土桥水泥铺装层温度应力研究

针对典型T梁和箱形梁桥,在简支和多跨连续边界条件、承受正温度梯度、负温度梯度、温度和汽车耦合作用下,用有限元法分析水泥铺装层的受力特征和铺装层拉应力、层内最大剪应力、等效应力和接触层间法向拉拔力、层间剪应力,以及各应力对铺装厚度的敏感性.以箱形梁桥为对象,比较分析了连续水泥铺装和划缝、带裂缝工作状态下受力以及配钢筋的影响.提出了设计、施工建议.     

移动荷载作用下特大悬索桥的行车舒适性

为研究移动荷载作用下特大悬索桥的动力响应和行车舒适性问题,用正交异性矩形板单元弯曲形函数的6次Hermitian插值函数,通过Matlab编程把车辆移动过桥时的荷载转换成加劲梁各节点的荷载时程,用通用有限元程序ANSYS,对移动荷载作用下特大悬索桥动态响应进行了时程分析,给出了悬索桥在不同荷载作用下的数值分析结果。实例分析表明,该方法具有很好的适用性和很高的精度,加劲梁最大位移响应位于桥梁中跨的跨中位置,发生在移动荷载通过桥梁跨中位置前后。最后,通过对某悬索桥动力响应的时程结果进行小波变换,研究了该悬索桥的行车舒适性。     

基于车辆制动激励和小波包能量分析的连续梁桥基础冲刷识别方法

近年来，因基础冲刷引发的桥毁事故频发，冲刷会造成桥梁下部结构周围土体被破坏进而导致基础承载力下降，并且由于冲刷位置隐蔽增加了识别检测的难度。为了精准识别桥梁下部结构的基础冲刷损伤，利用车辆制动作用可引起更为显著的桥梁下部结构纵桥向动力响应这一特点，提出了一种基于车辆制动作用下桥梁动力响应小波包能量分析的连续梁桥基础冲刷识别方法。该方法选择典型三轴车制动作用作为动力激励，利用小波包对冲刷前后的车辆制动作用下桥墩顶纵桥向加速度响应进行分解，提出以小波包能量方差变化率作为冲刷识别指标，实现基础冲刷位置识别；进而通过数值模拟方法建立包含多种冲刷程度与对应测点冲刷指标值的样本库，拟合分析确定冲刷识别指标值与冲刷程度间的函数关系，通过识别出的各测点冲刷指标值基于模式反演方法实现冲刷程度的量化识别。一座混凝土连续梁桥工程实例的分析结果表明，该方法能够实现梁桥基础冲刷的定位和定量识别，抗噪能力强，且识别结果受桥面不平度、制动位置、车质量和初始车速等因素影响较小。该方法在试验过程仅需在桥墩顶安装加速度传感器，可借助常规的桥梁荷载试验项目实现，具有测试简便易行、识别精度好等特点，适于公路梁桥基础冲刷的快速检测。     

车辆荷载作用下连续梁桥动力响应仿真分析

为研究桥梁在移动车辆荷载作用下的动力特性和承载能力,以某连续梁桥为计算实例,采用大型通用有限元软件ANSYS建立了质量-弹簧的车辆模型和桥梁结构的有限元模型,用时程分析法分析了车辆荷载作用下连续梁桥的动力响应特征,着重探讨了车辆刚度、车辆质量、行车速度等车辆荷载因素对连续梁桥动力响应的影响规律,并提出相应结论.