鄱阳湖二桥结构动力特性及车致振动响应分析

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在特大跨径和轻薄结构桥梁出现的同时,桥上车辆荷载的超重问题也日益严重,因此而导致的桥梁动力性能问题愈加突出。然而,目前关于斜拉桥的车桥耦合振动分析文献相对较少,特别是与特大跨径叠合梁斜拉桥有关的研究甚少。所以本文以鄱阳湖二桥为课题背景,研究叠合梁斜拉桥的车桥耦合振动是很有意义的。本文以鄱阳湖二桥工程设计实例作为研究背景,对该桥的动力特性和车致振动响应特点进行了较为全面的分析。具体工作和研究结果如下:(1)采用ANSYS和midas Civil两种大型通用有限元分析程序,在考虑模型精细程度的影响下,建立了三种有限元模型。结合这三种模型的动力特性计算结果,对全桥动力特性进行了对比分析。结果表明:对于此类斜拉桥,依据规范中经验公式计算的结构竖向弯曲基频值较实际计算值偏小,且采用ANSYS建立的杆系斜拉桥模型计算速度快、模型简单且有效,可以为该类桥梁的结构振动响应分析提供可靠的计算模型。(2)结合目前公路桥梁车辆荷载种类繁多的实际情况,为研究不同车辆作用下斜拉桥的振动响应,在以往车桥耦合理论的基础上,编写了二轴、三轴、五轴车的车桥耦合振动方程,数值模拟在车速、路面等级、车辆横向作用位置等影响下的车桥相互作用。结果表明:在车辆的行驶过程中,桥梁的竖向位移、弯剪应力和拉索索力均随车速的增加非单调增加,而随着加速度的增加单调递增,且随着车辆速度的增加,各振动响应值在其平衡位置的上下波动愈加明显;10km/h~120km/h车速范围内跨中冲击系数由大到小依次为三轴车、五轴车和二轴车。三种车辆作用下跨中冲击系数均随路面不平度的增大而明显增大,且在D级路面下,三轴车和五轴车作用下桥梁跨中冲击系数均超过0.05,大于规范值。车辆横向作用位置的不同对桥梁竖向位移值的影响较大,车辆越靠近桥面中心线,其竖向位移值和弯剪力也越大,而拉索索力越小。此外,对于各振动响应,三轴车作用下偏载效应最大,而二轴车最小。(3)通过改变结构参数,研究了不同结构体系、辅助墩和拉索间距等对桥梁的动力特性和车致振动响应产生的影响。结果表明:动力特性方面,塔与墩之间的连接形式对桥梁的振动频率和对应振型干扰不大。相比塔梁固结和刚构体系,漂浮体系斜拉桥更易出现纵飘和侧弯振型。振动响应方面,较其他体系,原桥半漂浮体系表现出良好的动力性能。相比无辅助墩斜拉桥,原桥的跨中位移和拉索索力更小。此外,跨中和支点位置处截面应力和各拉索索力随索距的增大而增大。(4)针对半漂浮体系斜拉桥在纵向不设约束的特点,研究了斜拉桥在车辆制动作用下纵向的振动响应特点。结果表明:车辆运行工况下,当车辆行驶至桥塔位置及中跨1/4位置时,主梁梁端位移和其他位置相比较大,当车辆行驶至中跨跨中位置时,主梁梁端的纵向位移最小,且该值随车辆行驶速度的增大而增大。车辆制动工况下,低速行驶状态突然制动比高速行驶状态突然制动引起的梁端纵向位移更大。当车辆于中跨1/8位置制动时,桥梁的纵向位移响应最大,而车辆于桥塔或跨中位置制动时,桥梁的纵向位移明显小于其他位置。
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