大跨度自锚式悬索桥车桥耦合振动分析

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大跨度自锚式悬索桥结构体系较柔,在车辆荷载作用下易产生较大振动,其车桥耦合振动问题是桥梁工程研究领域的热点课题。目前有关于大跨度自锚式悬索桥车桥耦合振动的研究成果中,较少考虑主梁截面质剪偏心和塔梁初应变对车桥动力响应的影响。因此,本文在已有研究成果的基础上,基于公路车桥耦合振动系统分析方法,以某高速公路大跨度自锚式悬索桥为研究对象,运用ANSYS建立其有限元模型,将桥梁模型数据转换为已有分析程序的数据文件,开展其车桥振动分析,探讨不同因素对车桥耦合系统动力响应的影响。主要研究内容有:(1)公路桥梁车桥耦合振动分析方法及程序设计根据公路桥梁车桥耦合振动理论,将汽车-桥梁耦合系统分为车辆和桥梁两个子系统,桥梁采用常规有限元方法形成其运动方程,将车辆模拟为弹簧和阻尼元件相互连接的多刚体体系,建立空间三轴车辆模型并推导其运动方程。考虑路面粗糙度,通过车桥接触点处的位移协调条件和作用力平衡条件,将车辆和桥梁两子系统的运动方程进行耦联,采用分离迭代法获得车桥动力响应。基于上述理论,结合已有编制程序,介绍公路桥梁车桥耦合振动的分析流程。通过开展公路桥梁车桥耦合振动模型实验,验证车桥耦合振动分析程序的可靠性。(2)大跨度自锚式悬索桥有限元模型建立及自振特性分析运用有限元软件ANSYS建立大跨度自锚式悬索桥的三维有限元模型,通过Ernst公式调整材料弹性模量修正主缆自重垂度;分析过程中启用应力刚化效应将附加应力刚度矩阵添加至主刚度矩阵,通过该方式来考虑主缆、吊杆及塔梁的初始内力效应。根据桥梁的成桥线形,在主梁、主塔、主缆和吊杆中施加初应变。并对桥梁自振特性进行分析,总结大跨度自锚式悬索桥的振型特点,结果表明:大跨度自锚式悬索桥梁振型较为密集且第一阶振型为纵飘,桥梁纵向约束刚度较小;结构的竖向振型对结构动力起主导作用。(3)大跨度自锚式悬索桥车桥耦合振动影响因素分析采用已有公路车桥耦合振动分析程序,将大跨度自锚式悬索桥的ANSYS模型数据转换成已有分析程序的数据文件,开展其车桥耦合振动分析,探讨主梁截面质剪偏心、塔梁初应变、行车速度、主缆刚度、随机车流等参数对车桥动力响应的影响,并依据车辆动力响应评价标准对行车舒适性进行评价。结果表明:1)主梁截面质剪偏心(竖向)主要影响桥梁的横向动力响应,且随着车道外移,其对桥梁横向动力响应越不利。2)仅梁施加初应变对桥梁位移响应影响较大,塔梁施加初应变对桥梁加速度响应影响较大。3)行车速度的提高会加剧车桥的振动响应。4)主缆刚度的提高使得桥梁竖向位移减小,横向位移增大;桥梁结构加速度响应在1.00倍主缆刚度情况下较大。5)中部车重较大的车流对主梁、主缆、吊杆动力响应影响较为明显,前部车重较大的车流对塔顶动力响应影响较大。
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