公路桥梁与车辆耦合振动现象模型与数值分析

随着桥梁建造技术的不断突破,大跨度和轻型已成为桥梁结构的主要发展方向,对公路桥梁在移动汽车载荷作用下的动力响应的研究越来越受到人们的关注.文章根据大量的研究资料,归纳叙述了公路桥梁与车辆耦合振动现象的重要性,并将该现象的模型系统划分为车辆和桥梁两个部分进行分析.     

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。     

公路简支梁桥车辆走行性及乘坐舒适性研究

将车辆和桥梁视为2个分离子系统,分别建立车辆和桥梁的振动方程,通过车桥接触点的位移协调条件及相互作用力相等原则将车、桥振动方程耦合,采用Ansys大型通用有限元程序中的APDL语言编制了该车桥耦合时变系统振动方程迭代计算的命令流,计算汽车通过公路简支梁桥时的车辆、桥梁动力响应,探讨车辆重量、悬架刚度、轮胎刚度,桥梁抗弯刚度与阻尼,行车速度、路面等级等因素对车辆走行性及乘坐舒适性的影响。结果表明:随车重的增加,车辆走行性和乘坐舒适性增加;随车辆悬架刚度和车辆轮胎刚度增大,车辆走行性变差,乘坐舒适性降低;桥梁参数对车辆走行性和乘坐舒适性的影响较小;随行车速度提高,乘坐舒适性降低;路面等级越差,车辆走行性和乘坐舒适性越低。     

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。     

铁路简支梁桥基础刚度的静动力影响研究

为考察基础布置形式对桥梁静、动力性能的影响,设计一座55跨不同墩高的双线简支梁桥,采用有限元法分析对比2种基础自身刚度差异和基础-墩组合刚度差异,及桥梁结构动力特性和车-桥耦合振动特性.研究结果表明,考虑基础刚度后所得基础-墩身组合刚度较墩身刚度下降明显,横桥向刚度下降尤其显著;基础刚度对桥梁结构的自振特性影响有限;车辆通过桥梁时,车辆动力响应对桩基础布置形式的差异不敏感;基础刚度对桥墩顺桥向振动幅值影响较小,对桥墩横桥向振动幅值影响较为明显.在高速铁路上,应当考虑基础刚度对桥梁横向振动的影响.     

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。     

车辆重量对简支梁桥冲击系数的影响分析

为了完善规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中仅围绕桥梁基频这一单一因素对桥梁冲击系数进行定义。本文考虑了车桥耦合的影响并研究了车的重量对具有代表性的简支梁桥冲击系数的影响。文中把桥梁和车辆看作车桥耦合振动体系的两个分离子系统分别利用了ANSYA软件和UM软件建立了桥梁、车辆以及车桥耦合振动模型。通过改变车辆的重量,分析其对冲击系数的影响。研究发现桥梁的冲击系数均随着车重的增加呈现不断增大的变化趋势,且基本都接近线性变化。与规范相比随着桥梁基频的增加,冲击系数逐渐减小,不同车重的冲击系数变化趋势基本上一致,另外随着车重的增加,冲击系数呈现整体增加的趋势,这也说明冲击系数和车重之间的关系比较显著。     

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。     

大跨度铁路钢桁拱桥车—桥耦合振动分析

为使列车高速通过大跨度铁路钢桁拱桥时具有良好的走行性,同时使桥梁具有良好的动力安全性,对该类桥梁的车-桥耦合振动进行分析.基于车-桥耦合振动理论,采用三角级数法模拟轨道随机不平顺,联立轮对沉浮振动及侧滚振动方程迭代求解轮轨力,采用迭代法求解桥梁及车辆响应.以南京大胜关长江大桥为例,采用推荐方法对该桥在不同列车(德国ICE3动力分散式高速列车、中华之星列车、南京轻轨列车、空载P62货物列车)以不同速度通过时,桥梁和车辆的动力性能进行分析.分析结果表明,该桥安全性和列车安全性、平稳性指标均满足要求,列车平稳性优良,推荐的计算模型及简化方法可用于同类桥梁的车-桥耦合振动分析.     

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。     

基于LS-DYNA与耦合方法的简支板桥车桥振动分析

简支空心板桥是我国小跨径桥梁中广泛采用的桥型之一。这类桥梁具有重量轻、整体性好、自振频率高的特点,且在高速重载车辆的作用下易导致车桥间产生较大的动力相互作用。这一现象不仅影响车辆行驶的舒适度,而且会对桥梁结构产生不利影响,降低桥梁寿命。将当前广泛应用的车桥耦合方法与动力有限元软件LS-DYNA结合起来,建立了一种全新的车桥耦合三维仿真分析模型。车桥耦合模型中的车辆模型采用了简化的三维9自由度车辆模型,简化了车辆建模并提高了计算效率。基于一简支现浇空心板桥的现场试验,将由这种耦合方法得到的仿真分析结果与实桥测试动力响应进行对比分析。结果表明,测试结果和仿真模拟结果吻合良好,验证了这种新的车桥耦合三维仿真分析模型的正确性和有效性。     

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。     

中国公路车-桥耦合振动车辆模型研究（双语出版）

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。     

基于桥面实测的刚构桥冲击系数分析

基于三维车辆模型和车-桥耦合分析程序,利用接触面间的位移协调条件与力相互作用建立车-桥耦合振动方程;以某大跨度连续刚构桥为工程背景建立桥梁有限元模型,以桥面不平整作为系统的自激激励源,分别采用有限元软件和MATLAB车-桥耦合振动分析程序,在实测桥面数据下对整体模型在车辆作用下的动力响应和冲击系数进行分析,并对国内规范和国外几种常用规范计算的冲击系数进行对比分析。     

城市轨道交通U型梁运营安全性分析

以U型梁为主要研究对象,建立车辆-桥梁耦合动力分析模型,研究了车速、车辆类型和钢弹簧浮置板对高架U型梁桥动力响应的影响,分析了车辆和桥梁结构的动力特性,并对地铁列车通过U型梁桥系统时的行车安全性进行了评估。计算结果表明：车辆在50~100 km/h速度运行时,均满足行车安全性的要求,车辆振动会随着速度的增加而增加;从U型梁的行车安全性角度来分析,选取A型车比B型车更为合理;加入钢弹簧浮置板后,可减小桥梁竖向位移和竖向加速度,但会增加列车振动响应,在钢弹簧浮置板设计过程中,需兼顾车辆和桥梁的运营安全性;改变钢弹簧的刚度对桥梁振动响应的影响较小。     

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。     

公轨两用部分斜拉桥耦合振动分析与行车舒适度评价

以重庆东水门长江大桥为研究对象,建立车桥耦合动力系统,对其振动响应及行车舒适度进行研究。采用多刚体结构模拟车辆,空间杆系单元模拟桥梁,分别计算桥梁耦合轻轨车、桥梁耦合汽车、桥梁耦合轻轨车及汽车的动力响应,并对桥上轻轨车及汽车的行车舒适度作出评价。结果表明,轻轨车和汽车的行车舒适度均满足要求。     

大跨度悬索桥车-桥耦合振动建模及构件受力分析

为精确分析大跨悬索桥在重型车辆作用下的振动响应,基于LS-DYNA程序,根据实际重型车辆结构特性建立精细的三维车辆模型,将车辆子系统和桥梁子系统进行耦合,建立实体单元的车桥耦合振动模型;设置多种荷载工况,对比分析主梁各特征点位置的竖向位移、吊杆和主梁顶板的动力响应.     

风-浪联合作用下大跨度桥梁车-桥耦合振动分析

为研究波浪对跨海桥梁风车-桥耦合振动系统的影响,针对跨海桥梁所处风大、浪高的极端环境,建立了波浪-风-列车-桥梁动力模型,将风场视为空间相关的平稳高斯过程,高速列车采用质点-弹簧-阻尼器模型模拟,精细化全桥模型通过有限元方法建立,考虑风-列车-桥梁之间的耦合作用,波浪作为外部荷载施加到该耦合体系中。以主跨532 m某海洋桥梁为例,通过自主研发的桥梁科研软件BANSYS （Bridge Analysis System）,分析了波高、风速、车速对耦合模型车辆和桥梁响应的影响。结果表明：风车-桥耦合振动体系的车辆和桥梁响应受波浪影响显著,车辆和桥梁响应在与波浪荷载一致的方向增加显著,15 m·s^-1风速下,考虑波浪影响的车辆横向加速度最大值约是不考虑波浪时的1.3倍,考虑波浪影响的跨中横向位移最大值约是不考虑波浪时的22倍,而在非一致方向波浪对车-桥响应的影响较小;不同风速下,波浪对车辆横向加速度影响显著,考虑波浪影响的车辆横向加速度约是不考虑波浪时的1.2倍,而车辆竖向加速度、轮重加载率、倾覆系数等指标主要受风速的影响;波浪基频与桥梁横向位移响应谱主峰频率一致,波浪已成为影响桥梁横向位移响应的控制因素;波浪减弱了车速对车-桥响应的影响,随着波高的增加,车辆和桥梁响应对车速的变化更不敏感。     

斜独塔混合梁斜拉桥风-汽车-桥梁系统耦合振动研究

针对公路汽车三维绕流特性显著的特点,按照准定常理论推导了适用于公路汽车的脉动风荷载表达式。将自然风、公路汽车、桥梁作为一个统一的相互作用系统,采用风-汽车-桥梁系统耦合振动分析模型,以某斜独塔混合梁斜拉桥为工程背景,研究侧风作用下汽车-桥梁耦合振动特性,并讨论了汽车-桥梁振动的影响因素。研究结果表明：由于桥梁和汽车的气动特性差异,桥梁的竖向抖振现象较横向抖振现象突出,而汽车的横向振动现象较竖向振动更明显。