公路高墩大跨连续刚构桥车桥耦合振动研究

论文摘要

目前,桥梁结构形式变化多样,其跨度越来越大,桥墩越来越高,桥梁体系也越来越柔,桥梁的动力特性越来越多地制约着桥梁的安全和使用。因而,高墩大跨桥梁在汽车荷载作用下的动力响应分析受到桥梁工程师的广泛关注。本文作者阅读了大量的参考文献,在前人的基础上归纳总结了车桥耦合振动分析的基本原理和分析方法。针对双轴和三轴汽车,分别采用7个自由度和9个自由度的车辆分析模型,在空间有限元理论的基础上,建立桥梁的有限元模型和运动方程。在考虑桥面不平整影响的前提下,根据汽车和桥梁之间的几何和力学耦合关系,建立车-桥系统总的运动方程,编制相应的计算程序。结合有限元分析软件Midas/Civil,以浙江省内最大的连续刚构桥--夹溪特大桥为工程实例,分析高墩大跨连续刚构桥的车桥耦合振动性能及其影响因素。分析了车速、车距、车辆的数目和类型、桥梁的刚度和阻尼、桥面不平整度等因素对桥梁动力响应的影响。此外,本文还借鉴了上述车桥耦合的分析方法,对路桥过渡段处车路耦合振动的原理进行了初步分析。将过渡段处的路面和地基分别模拟为密集梁单元和土弹簧,并计入过渡段沉降曲线的影响,建立过渡段路面模型。编写车路耦合分析程序,对汽车通过过渡段路面时的振动性能和相应的影响因素进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 公路车桥耦合振动研究概况
• 1.2.1 车桥耦合振动的发展历程
• 1.2.2 车桥耦合振动的研究内容
• 1.2.3 车桥耦合振动的研究方法
• 1.3 连续刚构桥的发展简述
• 1.3.1 连续刚构桥的发展现状
• 1.3.2 连续刚构桥的结构受力特点
• 1.4 公路路桥过渡段研究现状简介
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 桥梁结构的动力分析
• 2.1 有限元法理论基础
• 2.1.1 变分的概念
• 2.1.2 虚位移原理
• 2.1.3 有限元法简介
• 2.2 空间梁单元运动方程的建立
• 2.2.1 局部坐标系下的运动方程
• 2.2.2 整体坐标系下的运动方程
• 2.2.3 系统运动方程
• 2.3 单元的力学特性矩阵
• 2.3.1 单元质量矩阵
• 2.3.2 单元刚度矩阵
• 2.3.3 结构阻尼矩阵
• 2.4 桥梁结构的固有振动分析
• 2.4.1 桥梁的固有振动方程
• 2.4.2 固有频率和主振型的求解
• 2.5 桥梁结构的强迫振动分析
• 2.5.1 桥梁的强迫振动方程
• 2.5.2 直接积分法
• 2.5.3 振型叠加法
• 2.6 本章小结
• 第3章 车辆分析模型和运动方程的建立
• 3.1 车辆分析模型
• 3.1.1 车辆主要构成元件
• 3.1.2 模型的基本假设
• 3.1.3 空间整车模型的优点
• 3.2 车辆运动方程
• 3.3 路面不平顺模拟
• 3.4 车辆行驶的舒适性评价标准
• 3.4.1 振源分析
• 3.4.2 舒适性评价
• 第4章 汽车-桥梁系统空间耦合分析
• 4.1 汽车-桥梁系统运动方程分析
• 4.1.2 汽车-桥梁系统的几何耦合关系
• 4.1.3 汽车-桥梁系统的力学耦合关系
• 4.1.4 汽车-桥梁系统运动方程的建立
• 4.2 汽车-桥梁系统运动方程的求解与程序实现
• 4.2.1 求解方程的Newmark-β法的积分格式和步骤
• 4.2.2 车桥系统耦合振动分析程序设计
• 第5章 工程实例分析及其参数研究
• 5.1 夹溪桥简介
• 5.2 桥梁计算模型和自振特性
• 5.3 桥梁的动力响应及冲击系数
• 5.3.1 桥梁竖向刚度的影响
• 5.3.2 桥梁阻尼比的影响
• 5.3.3 车辆数目的影响
• 5.3.4 车辆间距的影响
• 5.3.5 车辆速度的影响
• 5.3.6 车辆相向行驶的影响
• 5.3.7 车辆类型的影响
• 5.3.8 路面粗糙度的影响
• 5.4 车辆的动力响应及舒适性分析
• 5.4.1 路面粗糙度的影响
• 5.4.2 车辆速度的影响
• 5.4.3 桥梁竖向刚度的影响
• 5.4.4 车辆类型的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 路桥过渡段车辆行驶舒适性分析
• 6.1 过渡段差异沉降产生的原因
• 6.2 过渡段路面不平整模型
• 6.3 过渡段车路耦合动力分析
• 6.4 路桥过渡段车辆行驶舒适性分析
• 6.4.1 过渡段沉降曲线类型的影响
• 6.4.2 过渡段基础刚度变化的影响
• 6.4.3 过渡段差异沉降量的影响
• 6.4.4 过渡段沉降区段长度的影响
• 6.4.5 过渡段车辆行驶速度的影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献