[博士]汽車荷載作用下梁式橋與斜拉橋動態(tài)響應(yīng)分析

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　　[博士]汽車荷載作用下梁式橋與斜拉橋動態(tài)響應(yīng)分析　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：湖南大學(xué)　　學(xué)位年度：2010　　車輛在橋梁上行駛時(shí)會產(chǎn)生激勵從而導(dǎo)致車輛本身和橋梁產(chǎn)生振動，移動車輛在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的動荷載效應(yīng)要比相應(yīng)的靜荷載效應(yīng)大。設(shè)計(jì)規(guī)范中通常采用“沖擊系數(shù)”來考慮車輛的這種動荷載效應(yīng)。對于不同的橋梁實(shí)際狀況，其沖擊系數(shù)將有很大區(qū)別。獲得車輛荷載作用下橋梁的真實(shí)信息無疑會對橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)出更加切合實(shí)際的評估。　　本文的研究為湖北省交通廳項(xiàng)目“超高橋墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)”和交通部科技計(jì)劃項(xiàng)目“荊岳長江公路大橋主橋關(guān)鍵技術(shù)研究”中部分內(nèi)容，主要的研究內(nèi)容及其相應(yīng)的研究成果如下:　　 (1)基于車橋禍合系統(tǒng)動力分析基本理論，導(dǎo)出不同自由度車輛模型的運(yùn)動微分方程。根據(jù)求解非平穩(wěn)振動問題的方法，模擬了四輪車輛在隨機(jī)路面作用下的隨機(jī)輸入。計(jì)算結(jié)果表明:路面激勵隨著車輛速度增大而有增大的趨勢，用非平穩(wěn)路面模型來模擬車輛所受路面激勵更加符合實(shí)際情形?！　? (2)以單跨梁為例，建立車橋禍合系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程并利用Matlab軟件編制其計(jì)算程序，與已有文獻(xiàn)實(shí)例對比驗(yàn)證該模型和計(jì)算程序的正確性。分析了非平穩(wěn)及平穩(wěn)隨機(jī)路面激勵模型、混凝土路面層和瀝青路面層等因素對單跨梁在汽車荷載作用下動力響應(yīng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明:在分析車輛變速運(yùn)動時(shí)，平穩(wěn)和非平穩(wěn)兩種路面勵所對應(yīng)的梁跨中撓度和沖擊系數(shù)是不同的，對于加速運(yùn)動來說，平穩(wěn)路面激勵可能使計(jì)算值偏小，而對于減速運(yùn)動來說，平穩(wěn)路面激勵可能導(dǎo)致計(jì)算值偏大:在同一種橋面不平等級，車輛初速為1 Om/s且加速度為Sm/sz時(shí)，混凝土路面層所對應(yīng)的沖擊系數(shù)是瀝青路面層所對應(yīng)沖擊系的1.35倍。　　 (3)以連續(xù)梁為例，分析裂縫對汽車荷載作用下連續(xù)梁振動響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:在移動車載作用時(shí)不同裂縫類型對橋梁振動頻率的影響不同，忽略呼吸裂縫隨載荷張開與閉合的特性而簡化為開口裂縫是不可取的;裂縫類型、裂縫參數(shù)、移動車輛頻率及車輛組合等都會引起梁與車輛禍合系統(tǒng)振動頻率的變化;開口裂縫和呼吸裂縫都會使橋梁的沖擊系數(shù)增大?！　? (4)以湖南邵懷高速上一座高墩連續(xù)梁橋(爐坪大橋)為例，測試不同工況加載時(shí)測試跨的響應(yīng)。采用LXPL-1型公路連續(xù)式八輪平整度儀，測量該橋面的平整度。采用環(huán)境振動法測量了該橋的豎向和橫向自振頻率，并在實(shí)測靜力撓度和自振頻率的基礎(chǔ)之上，引入響應(yīng)面法更新了爐坪大橋有限元模型。從實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模型更新過程看出:利用環(huán)境振動法和峰值識別模態(tài)法成功測得該橋的橫向和豎向振動模態(tài)，該橋的前兩階模態(tài)都是面外振動，因此該橋的橫向剛度相對較弱:利用響應(yīng)面修正橋梁模型推動了結(jié)構(gòu)模型修正的發(fā)展?！　? (5)為分析輪胎與地面之間的面接觸對車橋禍合振動的影響，建立了新的車橋藕合模型，比較了輪胎與地面的兩種接觸模型(點(diǎn)接觸和面接觸)對禍合系統(tǒng)振動的影響。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)路面比較光滑時(shí)，不同接觸處理模擬方法對梁的振動影響是很小，這時(shí)面接觸可以簡化為點(diǎn)接觸;但當(dāng)路面狀況變壞時(shí)，接觸形式對梁跨中撓度的影響相差較大，此時(shí)面接觸不能簡化為點(diǎn)接觸，點(diǎn)接觸會增大梁的撓度值，尤其對于跳車情形點(diǎn)接觸會帶來更大的誤差，如木塊高度為5Omm時(shí)，點(diǎn)接觸對應(yīng)計(jì)算值為實(shí)測值的1.3倍，而面接觸對應(yīng)計(jì)算值為實(shí)測值的1.06倍?！　? (6)為分析高墩連續(xù)梁橋在車輛荷載作用下的橫向振動，提出了一種新的車輛模型，該模型可考慮車輛橫向振動的自由度。通過與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn):本文計(jì)算模型能有效分析車輛作用下高墩橋的橫向振動;就本橋算例來說，乘客行駛在該橋上時(shí)會有不舒適的感覺，且這種不舒適性隨著路面不平度的變壞而增加，同時(shí)高墩橋橫向和豎向振動會加大乘客的不舒適性;該橋的橫向振動位移隨車速的增加而增加，但車速增加到11 Okm/h左右時(shí)，橋梁橫向位移有減少的趨勢。　　 (7)以大跨度斜拉橋(荊岳長江公路大橋)為例，用統(tǒng)計(jì)方法分析了荊岳長江公路大橋在車載作用下的振動響應(yīng)和沖擊系數(shù)，為設(shè)計(jì)大跨度斜拉橋提供了理論依據(jù)。結(jié)果表明:計(jì)算主梁豎向撓度時(shí)所取路面隨機(jī)輸入樣本數(shù)目可為15個(gè)，計(jì)算主梁橫向位移時(shí)可取路面隨機(jī)輸入樣本數(shù)目25個(gè):當(dāng)車輛駛過全橋時(shí)，主梁最大豎向撓度和橫向位移值并不發(fā)生在同一個(gè)位置處，當(dāng)車行駛至900m左右處時(shí)豎向撓度值出現(xiàn)最大且為32.7mm，而當(dāng)車輛行駛至715m處時(shí)橫向位移值出現(xiàn)最大且為7.34mm;按照規(guī)范計(jì)算荊岳長江公路大橋主橋沖擊系數(shù)為0.05，參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)車速小于l Om/s左右時(shí)，跨中和1/4跨處撓度沖擊系數(shù)才小于0.05，而其余大部分情形沖擊系數(shù)都大于0.05，因此按規(guī)范計(jì)算的沖擊系數(shù)值要小于該橋?qū)嶋H所受的車輛動力作用。

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