车桥耦合作用下桥梁位移响应分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇车桥耦合作用下桥梁位移响应分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：为进一步明确车桥之间的相互作用以及其耦合系统各项参数对桥梁作用的影响趋势，基于ANSYS的前处理器对车辆和桥梁耦合系统建模，利用其结果后处理功能，分析车桥耦合振动问题。文中以一单自由度弹簧阻尼系统通过简支梁桥模型为算例，计算车桥耦合作用下位移响应。所得结果与相关文献结果吻合良好，同时进一步明确耦合系统各参数对桥梁作用的影响趋势，可为工程设计提供指导。

关键词：车桥耦合;简支梁;振动;ANSYS

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

一、概述

当车辆以一定速度通过桥梁时，由于桥面不平顺、发动机振动等原因，桥梁会产生振动，致使内力及挠度增大，反过来桥梁的振动又影响车辆的振动，这种相互作用和影响就是车桥耦合振动问题[1,2]。近年来，由于高等级公路修建，桥跨越来越大、墩高越来越高,车速也大幅提高，交通流量显著增长，重载车辆大量涌现，这些原因引起的车桥耦合振动已经不可忽视，因此车桥动力分析问题也越来越吸引桥梁界人士更多的关注和重视。在过去的几十年中，在设计桥梁时大多仅做静力分析，动力分析往往仅涉及到结构的振动特性及地震响应、风效应方面，至于车对桥的作用仅采用冲击力规范公式予以考虑，很少涉及到车与桥相互作用和影响的车桥耦合动力分析领域。虽然学者们对车桥耦合振动的研究已有近百年的历史，但迄今为止仍没有达到十分完善和成熟的水平，既有研究成果仍存在许多尚未解决的技术难题。因此车桥耦合振动问题一直是工程界十分感兴趣的研究课题[3]。随着计算机技术的发展，目前方法是建立多刚体车辆模型和桥梁模型，推导运动方程，编制计算机程序，然后按各种参数进行计算，从而得到车辆与桥梁的动力响应。利用车桥系统动力分析模型，可直接计算得到各类桥梁结构在以不同速度运动的车辆作用下的动力响应，包括桥梁的动挠度、竖向和横向振幅、振动频率等。通过理论分析，可以明确车辆运行安全的车辆运行指标，为桥梁设计提供重要的参数[4]。

二、算例分析

车桥耦合模型如右图所示，车辆质量简化为一集中质量块m，它与桥梁的耦合效应表现在车辆与桥梁连接的弹簧K和阻尼C上[5,6]。将车辆和桥梁视作两个分离体系，二者之间耦合作用通过轮胎与桥面间的相互作用联系起来．轮胎与桥梁间的相互作用力可描述为：

Fi =Ki i +Ci I (1)

式中：

Ki为第i个轮胎的刚度；

Ci为第i个轮胎的阻尼系数；

i、i为第i个轮胎与桥梁的竖向联系位移和相对速度。

本文采用大型通用有限元程序Ansys[7]对不同车辆大小、行驶速度的快慢及其相关性对简支梁桥的耦合效应进行分析。分析模型采用Ansys中的参数化程序设计语言APDL来建立。在进行车桥耦合动力分析时，梁单元采用Beam3单元来模拟，车的质量采用MASS2单元来模拟，车辆悬挂系的弹簧刚度及阻尼效应采用弹簧单元COMBIN14单元来模拟。分析模型假定为一空心板简支梁桥[8]，简支梁计算跨径为13m，其余参数如右表所示。分析计算后简支梁桥的跨中位移结果如下图、表所示：

梁跨中位移(V=40km/h)

梁跨中位移(V=60km/h)

梁跨中位移(V=100km/h)

三、结论

1、正如分析预期，随着重量的增大，梁跨中位移随着车辆质量的增大而增大，但是增长的速度却逐渐放缓。速度越大，增长的幅度越小。

2、随着速度的增长，梁跨中位移有逐渐减小趋势，并且车辆越重，减小幅度越大。

3、车辆与桥梁耦合作用与刚度、阻尼、重量、速度等密切相关，并且这些方面相互影响、耦合，分析时应注意把握每个参数对桥梁作用效应的影响趋势及其主次。

参考文献

[1] 梁玉红.用ANSYS实现车桥耦合空间振动分析 [D].石家庄:石家庄铁道学院, 2005.

[2] 王元丰,许士杰.桥梁在车辆作用下空间动力响应的研究 [J].中国公路学报,2000,13(4):38-41

[3] 施颖,宋一凡,孙慧,周新平.基于ANSYS的公路复杂桥梁车桥耦合动力分析方法 [J].天津大学学报,2010,vol43,No.6

[4] 夏禾.车辆与结构动力相互作用 [M].北京:科学出版社, 2002

[5] 克拉夫R W,彭津J.结构动力学 [M].王光远,译.北京:科学出版社,2006.

[6] 翟婉明 车辆-轨道耦合动力学 [M].北京:中国铁道社,2007

[7] 王新敏Ansys工程结构数值分析 [M].北京:人民交通出版社,2007:499-500

[8] JTG D-60—2004 公路桥涵设计通用规范 [S] 北京:人民交通出版社，2004.

[9] Kolousek V, Flyba L.Civil engineering structures subjected to dynamic load [M].Bratislava:SVTL,1967:54-58