基于橋面不平順公路梁橋車橋耦合隨機(jī)振動(dòng)研究.pdf

1、影響公路橋梁車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)的眾多因素中，橋面平整度是一種主要因素。由于模擬橋面不平整時(shí)程激勵(lì)方法的多樣性及模擬結(jié)果的隨機(jī)性，使得采用確定性振動(dòng)方法分析橋面不平整引起車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)具有很大離散性。本文基于虛擬激勵(lì)法，研究橋面不平整激勵(lì)（文中均采用路面不平順譜）非平穩(wěn)隨機(jī)輸入的公路梁橋車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)車橋耦合隨機(jī)振動(dòng)的模型建立、算法分析、振動(dòng)響應(yīng)、縮尺模型試驗(yàn)及沖擊系數(shù)展開研究。
　　結(jié)合模態(tài)綜合疊加技術(shù)，提出了基于精細(xì)積分(

2、PIM)格式的車橋耦合振動(dòng)模型新算法。考慮積分步長(zhǎng)內(nèi)荷載協(xié)調(diào)分解，通過插值函數(shù)將移動(dòng)車輛荷載等效到單元節(jié)點(diǎn)荷載，利用Cotes積分格式求解Duhamel非齊次項(xiàng)荷載。以移動(dòng)常量力荷載作用于簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楸尘?，將解析解和多種數(shù)值解對(duì)比，校驗(yàn)PIM結(jié)合Cotes積分格式求解車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性。以單自由度車模型作用于簡(jiǎn)支梁橋，研究積分步長(zhǎng)、計(jì)算時(shí)間對(duì)Newmark-β法、Runge-Kutta法和PIM求解車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)的影響，提出運(yùn)用模

3、態(tài)綜合疊加法結(jié)合PIM求解車橋耦合振動(dòng)問題，具有不受積分方法的積分步長(zhǎng)限制、快速收斂的優(yōu)勢(shì)。考慮荷載在積分步長(zhǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)分解和不變常量，結(jié)合模態(tài)綜合疊加技術(shù)特點(diǎn)，建立移動(dòng)彈簧質(zhì)量車橋耦合系統(tǒng)振動(dòng)模型，引入PIM算法，并采用Cotes及Gauss積分格式展開精細(xì)積分中Duhamel非齊次項(xiàng)，分析荷載節(jié)點(diǎn)等效方法及PIM中Duhamel非齊次項(xiàng)展開方式對(duì)車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)的影響。Cotes積分格式計(jì)算車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)，協(xié)調(diào)分解與解析解更接近，N

4、ewmark-β法積分步長(zhǎng)內(nèi)荷載分解形式對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小;積分步長(zhǎng)內(nèi)荷載協(xié)調(diào)分解的Gauss積分格式計(jì)算結(jié)果呈發(fā)散趨勢(shì);Newmark-β法計(jì)算結(jié)果能滿足工程需要，但保證相同計(jì)算精度時(shí)，需較小積分步長(zhǎng)、同時(shí)耗費(fèi)較多計(jì)算時(shí)間，而PIM算法結(jié)合Cotes積分格式的協(xié)調(diào)分解，具有快速收斂且計(jì)算快的優(yōu)勢(shì)。
　　將橋梁離散為梁?jiǎn)卧?，車輛簡(jiǎn)化為兩自由度系統(tǒng)，以路面不平順譜激勵(lì)函數(shù)作為輸入，將路面不平順引起的荷載等效為虛擬激勵(lì)荷載，建立兩自由

5、度車模型-橋梁耦合隨機(jī)振動(dòng)模型。引入模態(tài)綜合疊加法，數(shù)值迭代求解，驗(yàn)證模型的正確性;與Monte-Carlo法(MCM)相比，虛擬激勵(lì)法(PEM)計(jì)算車橋耦合隨機(jī)振動(dòng)具有原理簡(jiǎn)單、計(jì)算快捷的特性。以兩自由度車模型作用于簡(jiǎn)支梁橋，在頻域內(nèi)分析由路面不平順引起的車橋耦合隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。跨中豎向位移及加速度響應(yīng)主要由一階頻率控制，第三階頻率對(duì)跨中加速度的影響比位移明顯;跨中豎向位移均方根值隨車速變化較大，車速對(duì)位移和加速度功率譜(PSD)曲線的

6、一階頻率峰值和帶寬影響顯著;路面不平順的隨機(jī)樣本激勵(lì)引起豎向位移均未超過PEM計(jì)算結(jié)果的兩倍標(biāo)準(zhǔn)差(SD)。分別以GB7031譜、Wang譜及ISO譜三種路面譜函數(shù)作為不平順激勵(lì)輸入，研究路面譜函數(shù)對(duì)簡(jiǎn)支梁橋及車輛振動(dòng)響應(yīng)的影響。三種路面譜函數(shù)引起的簡(jiǎn)支梁橋跨中豎向位移均方根曲線形狀相似;路面譜與車橋耦合共同作用，橋梁及車輛的共振頻率出現(xiàn)在橋梁一階頻率處;ISO譜引起的車輛振動(dòng)響應(yīng)受車速變化敏感性較弱，但橋梁振動(dòng)響應(yīng)受車速影響的敏感性較

7、強(qiáng);GB7031譜和Wang譜引起車輛和橋梁的動(dòng)力響應(yīng)及頻率特性接近，GB7031譜計(jì)算結(jié)果略大于Wang譜。
　　考慮各車輪輸入路面不平順激勵(lì)的時(shí)滯效應(yīng)和相干效應(yīng)，采用PEM研究車輛變速行駛的三維車橋耦合非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。將橋梁離散為板-殼實(shí)體單元，車輛簡(jiǎn)化為三維九自由度體系，考慮路面不平順輸入激勵(lì)的多點(diǎn)不相干，運(yùn)用PEM將路面不平順引起的荷載等效為虛擬激勵(lì)荷載，建立三維車-橋耦合非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)模型。運(yùn)用PIM和Newmark

8、-β兩種積分格式迭代求解，與MCM計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證三維車橋耦合非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)模型的正確性;以某高速公路梁橋?yàn)楸尘?，研究車輛勻加速行駛在B級(jí)橋面的橋梁各點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)。相同路面激勵(lì)引起的跨中位移和加速度響應(yīng)峰值大小取決于車速;車輛變速行駛比勻速行駛具有更寬的共振頻率區(qū)間，跨中位移和加速度的極值響應(yīng)隨車輛行駛加速度呈現(xiàn)先快后緩的增長(zhǎng)趨勢(shì)。
　　基于GB7031路面不平順功率譜，選取三軸自卸汽車，考慮路面譜激勵(lì)輸入的時(shí)滯性和相干性，基于虛擬

9、激勵(lì)法建立三維相干路面不平順輸入激勵(lì)的車橋耦合隨機(jī)振動(dòng)模型，研究路面不平順譜輸入激勵(lì)的空間效應(yīng)（相干效應(yīng)、時(shí)滯效應(yīng)及一致效應(yīng)）對(duì)車橋耦合振動(dòng)、車輛振動(dòng)及車橋系統(tǒng)頻譜特性的影響。三種路面譜空間效應(yīng)對(duì)橋梁位移和加速度響應(yīng)存在差異，路面譜空間效應(yīng)對(duì)車體響應(yīng)的影響比后懸架更明顯;路面譜激勵(lì)輸入的空間效應(yīng)對(duì)車-橋耦合與路面譜的共振頻率影響較小;研究路面不平順激勵(lì)對(duì)車橋耦合振動(dòng)影響時(shí)，需考慮路面不平順輸入激勵(lì)的空間效應(yīng)。考慮路面不平順激勵(lì)輸入函數(shù)的

10、相干性，研究Nanyanan相干函數(shù)、Dieter相干函數(shù)和Zhang相干函數(shù)對(duì)車橋系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)及頻譜特性的影響。不同的相干函數(shù)對(duì)車橋系統(tǒng)位移均方根和加速度均方差的影響效果不同;相干函數(shù)僅影響路面譜與車橋系統(tǒng)共振能量大小，不改變共振頻率大小;相干函數(shù)對(duì)車體位移和加速度的影響明顯大于對(duì)后懸架的影響。
　　根據(jù)公路梁橋車橋耦合振動(dòng)特性，結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力縮尺模型試驗(yàn)的相似理論，推導(dǎo)了車橋耦合振動(dòng)縮尺模型的相似關(guān)系。選取幾何相似比尺10，計(jì)算

11、車橋耦合縮尺模型試驗(yàn)系統(tǒng)的相似常數(shù);以簡(jiǎn)支梁橋和三軸汽車為原型，設(shè)計(jì)制作了包含有機(jī)玻璃模型橋、試驗(yàn)小車及車橋耦合振動(dòng)縮尺模型試驗(yàn)系統(tǒng)的輔助部分。通過試驗(yàn)測(cè)試與理論分析對(duì)比，校驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?、試?yàn)小車動(dòng)力特性;將模型橋測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，校驗(yàn)車橋耦合縮尺模型相似理論。車橋耦合振動(dòng)縮尺模型試驗(yàn)相似律關(guān)系正確，設(shè)計(jì)制作的車橋耦合振動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)可行，模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可靠。
　　以某三跨連續(xù)梁橋?yàn)槔瑢?duì)該橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，并對(duì)該