双层公路钢桁梁桥车桥耦合振动研究

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1、分类号:U44，U4510710-B2008061博士学位论文双层公路钢桁梁桥车桥耦合振动研究刘世忠导师姓名职称刘永健教授申请学位级别工学博士学科专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期2015年04月18日论文答辩日期2015年06月23日学位授予单位长安大学ResearchonVehicle-bridgeCoupledVibrationofDouble-deckHighwaySteelTrussBridgeADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：LiuShizhongSupe

2、rvisor：Prof.LiuYongjianChang’anUniversity,Xi’an,China摘要随着中国经济的增长与社会的发展，对交通基础设施建设的需求快速增加，与此同时，公路桥梁建设所受的限制条件也日趋多样化与复杂化，为此大量新型结构形式、新技术不断涌现。双层钢桁梁桥占地面积小，可以充分发挥桥位之利，通行能力大，能有效地缓解日益增长的交通压力，将会逐渐成为中国公路钢桥的一种发展方向与趋势。双层钢桥在力学行为上表现为空间性强，受力复杂，而且由于车道多，车流的随机性强，使得桥梁上下层各杆件的动力响应极为复杂，动力耦合效应也更

3、为明显。在长期运营后，由于桥面平整度持续变差，车辆自身振动越加剧烈，将会使桥梁结构产生更大的动力响应，桥梁结构的安全性及使用寿命都将面临更为严峻地挑战，已成为桥梁设计与运营阶段必须加以考虑与解决的问题。本文在高等学校博士学科点专项科研基金项目——随机车流作用下双层公路钢桁桥车-桥耦合效应研究(20090205110002)的资助下，对双层公路钢桁梁桥的车桥耦合振动问题进行了研究，主要研究内容、研究方法与研究成果如下：(1)阐述了车桥耦合振动问题的产生、古典研究方法理论、发展以及国内外研究现状，在分析总结现有车桥耦合研究成果的基础上，根据

4、车桥耦合振动问题的特点，制定了本文的研究方法与技术路线。(2)针对现有公路桥梁车桥耦合振动响应问题分析的复杂性，结合分离法原理与车辆动力学理论，提出了一种基于ANSYS平台的公路桥梁车桥耦合振动响应数值分析方法。将车辆模型与桥梁模型分别独立建于ANSYS软件环境中，利用约束方程实现任意时刻车轮与桥面接触点的位移协调关系（力的平衡关系由程序自动满足），基于ANSYS瞬态动力学求解功能，采用APDL编程实现车辆（车流）过桥的耦合动力时程响应分析。通过与相关文献算例结果的对比及实桥动载试验验证了本文方法的正确性与可靠性。该方法在任意载荷步处不

5、需要迭代计算，避免了复杂程序设计，极大地提高了分析效率。(3)基于本文提出的车桥耦合振动数值算法，采用UIDL与APDL语言联合编程，依托ANSYS软件环境开发了公路桥梁车桥耦合振动响应分析模块VBCVA。该模块只需输入桥梁模型（桥面可以采用板单元或梁单元模拟）、车道信息（车道中心起始位置、车道方向等参数）与车辆（车流）信息（车辆类型、所属车道、车重及悬架刚度与阻尼i等参数），即可计算出任意结构体系桥梁各位置的挠度冲击系数及其时程响应与各杆件的轴力、弯矩、扭矩等内力冲击系数及其时程变化响应。该模块采用图形用户界面（GUI）方式接受用户的

6、输入，操作简便直观，便于工程人员掌握与应用。(4)以国内首座双层公路钢桁梁桥（三桁刚性悬索加劲钢桁梁桥）——东江大桥为工程背景，利用大型通用有限元软件ANSYS，采用空间梁单元Beam188（主桁杆件、纵梁和横梁）与板单元Shell63（桥面板）建立其三维有限元模型，对其动力特性（自振频率与振型）进行计算。对比实桥动载试验测试结果与有限元分析结果，两者相差较小，从而验证了有限元模型的可靠性，同时表明所建立的有限元模型能较好地反映实际桥梁的动力特性，有限元建模过程中的单元选取、边界施加和相关假定与实际较为相符，可应用其进行类似双层钢桥的有

7、限元建模与计算分析工作，为进一步开展双层桥车桥耦合振动分析研究提供了有限元模型基准。(5)以东江大桥为工程依托，设计了一双层公路简支钢桁梁桥，应用已开发的车桥耦合振动分析模块VBCVA，对其车桥耦合振动响应进行了分析计算，系统地研究了单双层加载模式、车辆数量、车辆速度、车辆质量、桥面不平度等级与桥梁阻尼比等参数独立变化时，桥梁主梁各控制位置处杆件内力与节点挠度时程变化动力响应与冲击系数变化规律，为双层桥的设计提供一定的参考与借鉴。关键词：桥梁工程；双层公路钢桁梁桥；数值模拟；车桥耦合振动；分离迭代法；冲击系数；桥面不平度iiAbstra

8、ctWiththedevelopmentofeconomyandsocietyinChina,thedemandfortransportationinfrastructureconstructionisra