药湖高架桥车桥耦合振动分析.doc

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1、药湖高架桥车桥耦合振动分析江峰明1万卫红2（1、江西现代路桥总公司婺源分公司婺源333200）（2、江西省交通桥梁检测加固有限公司南昌330038）摘要：药湖高架桥全长9.1km，于1997年建成通车，营运至今近8年。随着交通量与重载交通量的增加，该桥在使用中存在行车不顺、盖梁开裂等病害。为了确保通行车辆的安全和行车的舒适性，对该桥进行了车桥耦合振动分析。本文采用数值模拟和有限元相结合的方法分别计算了不同车速下的桥梁响应，并初步探讨了路面不平顺对车桥耦合振动的影响。关键词：桥梁工程；药湖高架桥、车桥耦合振动、数值模拟、路面不平顺23230前言在过去

2、近100年里，对桥梁在移动荷载作用下的车桥耦合振动问题进行了大量的研究〔1-5〕，尤其是对于列车荷载作用下的车桥耦合振动问题，国、内外的学者都取得了一定的研究成果〔6-8〕。但是对于汽车荷载作用下的车桥耦合振动问题，目前的研究成果还没有达到预期要求。由于公路桥上汽车荷载的多样性以及各车之间的相互干扰性，在同时考虑汽车荷载和桥梁质量后，系统振动微分方程为变系数的微分方程组，给问题的研究带来了极大的困难。已有的研究都是在采用各种不同的简化模型下，用数值模拟或有限元方法来求解的。由桥梁和汽车构成的系统是一个非常复杂的系统，采用仿真的方法来完整地模拟其耦合

3、振动过程比较困难，需要做一定的简化，从而达到定性分析的目的。本文在车桥耦合振动力学模型的基础上，借助大型有限元软件ANSYS强大的分析功能来建立车桥耦合振动仿真模型。由于药湖高架桥全长9.1km，上部构造除6跨30m预应力混凝土T型梁外，其余均为20m先张法预应力混凝土宽幅空心板，所以本文主要计算了一跨20m的简支梁桥车桥耦合竖向挠度响应情况。1力学模型的建立如图1所示简支梁，梁长度为l，单位质量为m，截面抗弯刚度为EI，由均匀弹性材料组成，假设该梁为欧拉－贝努利梁，不考虑截面的剪切变形和转动惯量的影响。该梁受到一个质量为M并且以恒定速度v移动的荷

4、载作用。根据欧拉－贝努利梁的假定，利用分离变量的方法，可以求得振动方程的解。假定梁的挠度为图1匀速移动质量作用下的简支梁模型，得到系统的振动微分方程为（1）式中，为简支梁的固有振动频率。当初始条件为静止时，可得上式的解为（2）式中，可以理解为移动常量力的广义扰动频率。因此，梁的动力响应可以表示为（3）2有限元模型的建立药湖高架桥桥面板为简支铰接空心板，在ANSYS中采用空间板单元来模拟，板与板之间的铰接通过特殊单元来处理，标准汽车荷载通过4个集中力来模拟，为简化计算，将二期荷载集中到桥面板上。本文主要是研究桥面板的动力响应，因此在模型中并未建立盖2

5、3梁模型，一跨20m简支梁模型如图2所示。由于对称性只建立了半幅桥面有限元模型，模型共采用了3200个空间板单元和140个特殊单元。图2药湖高架桥动力计算模型3车桥振动响应计算与分析为了解汽车过桥时桥梁的竖向挠度情况，本文计算了汽车分别以不同的速度过桥时桥跨中点的竖向挠度响应情况。位移记录点的编号以及汽车车道布置如图3所示，计算中仅考虑了一辆汽车过桥时的动力响应。图3观察点编号及车道布置图3中p1～p7点均为各板跨中点，其中观测点p3、p4为别为2、3号板接缝处两个点，p6、p7为3、4号板接缝处两个点，p2、p5为车轮线处两个点。当一辆汽车沿内侧

6、车道分别以车速70km/h、80km/h过桥时，桥梁各观测点的竖向挠度变化情况分别如图4和图5所示，图中竖向位移负号表示位移向下。a)p1、p2、p3点挠度响应b)p4、p5、p6点挠度响应图4车速70km/h时桥跨中点挠度响应从图4和图5可以看出，各板观测点最大竖向挠度出现的时间几乎是一致的，表明用上述方法模拟各板之间的铰接是成功的。图4表明汽车以70km/h过桥时，出现最大挠度的时间为0.617s，此时汽车正好通过桥梁跨中。同样，图5表明汽车以80km/h过桥时，出现最大挠度的时间为为0.4725s，此时汽车正好通过桥梁跨中。a)p1、p2、p

7、3点挠度响应b)p4、p5、p6点挠度响应图5车速80km/h时桥跨中点挠度响应好通过桥梁跨中。为了分析桥面平整度以及车速对观测点竖向挠度的影响，图6中示出了不同车速情况下，考虑路面平整度和不考虑路面平整度时p1点的竖向挠度值。图6测点竖向位移与路面平整度、车速的关系由图6可以看出，考虑路面平整度影响时，观测点p1的竖向挠度明显大于不考虑路面平整度影响时的值。不考虑路面平整度响应时，p1点竖向挠度值随着车速的增加而增加；当考虑路面平整度影响时，由于路面平整度模型的不同，p1点竖向挠度值随车速的变化具有起伏性。4结论23在一定的假定条件下，通过上述分

8、析可以初步得到以下几点结论：1、当考虑一辆汽车过桥时，桥梁最大竖向挠度值发生在汽车正好刚通过桥跨中点时，并且铰接板之间的铰