刍议桥面平整度对公路桥梁车致振动的影响VIP

刍议桥面平整度对公路桥梁车致振动的影响摘要：本文首先对桥梁的结构振动特性和车辆模型进行了分析，然后研究了桥面平整度对简支梁桥动力响应的影响。关键词：桥面；平整度；振动；影响中图分类号：U443.31文献标识码：A文章编号：1桥梁的振动分析1.1结构振动特性经实验和理论研究，人们发现结构的振动现象存在着一些只与其自身有关而域外因素无关的特性，这就是结构的固有频率和主振型。固有频率和主振型只与结构的刚度特性(材料的弹性模量、截面的几何特性和边界条件)和质量分布有关.通常，在作振动分析时常利用这些特性。如：利用自由振动方程式去求解结构的固有频率和主振型，利用振型迭加法求解结构的动力响应等等。1.1.1梁的自由振动图1桥梁的自由振动根据图1建立单跨桥梁自由振动的动力平衡方程为：其中EI为桥梁的抗弯强度，t为时间。上式为其次偏微分方程式，利用分离变量法求解。式中：X(x)一仅与x有关的函数;T(t)一仅与t有关的函数。求解分别得到其中A、C1、C2、C3、C4是常数；为为无阻尼条件下，梁的自由振动圆频率：对于简支桥梁得到结果如下：1.1.2桥梁的受迫振动图2梁的受迫振动根据图2建立无阻尼艾勒一柏努利(Euler一Bemoulli)梁的振动方程为：这个非齐次偏微分方程的全解包括两部分：一部分是对应于齐次方程的通解，相当于固有振动;另一部分时对应非齐次项的特解，在给定激挠力P(x,t)后，即可求得激挠力作用下梁的振动响应。求解得到单个移动荷载P(t)作用时等截面梁的动力响应为：（i=1,2,3。）1.2车辆分析模型车辆模型长期以来一直是车桥振动计算分析领域重点研究的对象。建立的模型越复杂，越接近实际情况，也越能进行逼真的模拟，但是往往分析困难。建立的模型越简单，分析越容易，但得到的结果可能不精确。因此，在建立车桥振动系统力学模型中，总是在求得简化表达和逼真模拟两者之间的折衷。但一个完整系统的力学模型不仅与实际车辆的结构有关，还与所研究的内容有关。由于研究对象、目的和运行条件的不同，很难建立一个通用的、精确的模型来研究所有的车辆动力学问题。合理的分析模型能适当的体现车辆系统的振动特点，又不明显地增加计算工作量。车辆荷载简化计算模型总的说来归为三大类，分别为移动力模型、移动质量模型、移动振动模型，下面分别介绍在这三种模型作用下移动荷载的情况。本文采用移动振动质量一简支梁模型，为了计算方便假设如下：（1）车辆为刚性，车辆荷载垂直作用；（2）车辆行驶考虑为直线，没有跳起；（3）把桥梁简化为Euler-Bemoulli梁。通过以上的假设，所建立的移动振动一简支梁模型具有二个自由度，忽略了绕各轴的角运动，而车桥仅考虑垂向运动，即车辆的簧上质量和簧下质量的垂向跳动及梁仅有弯曲振动。如图3所示。图3移动弹性体作用简支梁示意图建立计算方程如下：计算得到矩阵：其中M、C和K分别为(i十2)阶质量、阻尼和刚度矩阵；Q是(i+2)阶荷载向量；q是(i+2)阶自由向量。2桥面平整度对简支梁桥动力响应的影响分析2.1车速对冲击系数的影响分析假设桥面为光滑，仅考虑车速对冲击系数的影响。动力荷载作用与桥梁结构上产生动挠度，一般较同样的静荷载所产生的相应的静挠度要大。动挠度与相应的静挠度的比值称为活荷载的冲击系数。由于挠度反应了桥梁结构的整体变形，是衡量结构刚度的主要指标，因此活荷载冲击系数综合反映了动力荷载对桥梁结构的动力作用。活荷载冲击系数与桥梁结构的结构型式、车辆行驶速度、桥面的平整度等因素有关。为了测定桥梁结构的冲击系数。应使车辆以不同的速度驶过桥梁，逐次纪录跨中截面的挠度时程曲线。冲击系数的定义如下：1+=Ydmax/Ysmax式中：Ydmax一最大动挠度值;Ysmax一最大静挠度值。根据数值模拟结果进行分析，得到车速对冲击系数的影响如下所示（表1，图4）。表1冲击系数图4光滑路面，桥的动力放大系数分析得出，当行进速度较大时，位移曲线的波动较光滑。说明速度较快时，车辆通过桥梁的时间较短，高频波动还没有来得及充分发展移动荷载已经过桥了从而使的响应曲线变得光滑。不考虑路面平整度的影响下，随着速度增大，桥梁跨中动挠度也随看增大。车速不改变桥梁的静力挠度。活荷载冲击系数与车辆行驶速度有关。桥的最大动挠度并不一定单调增加，而是会出现一个或几个波分。在速度较低，如上图中速度低于40km/h;以及速度较高时，如上图中车速高于100km/h时，冲击系数于车速接近线性关系。2.2路面平整度对位移响应的影响模拟A、B、C、E、D五种路况分别表示路面“很好”“好”“一般”“差”“很差”，计算重车车速30km/h，从简支梁桥的一端移动到另一端，得出对应跨中节点位移响，如图5所示。图5车速30km/h跨中位移响应可以看出在车速相同的情况下，桥梁跨中节点的竖向位移响应围绕了静挠度曲线上下波动曲线，当路面平整度等级为A时，桥梁的动挠度曲线偏离静挠度曲线的幅度很小，但随着路面的变差，这种上下波动幅度越来越大。根据最大动位移响应，由得出冲击系数，如表2。表2冲击系数可以看出，冲击系数是随着路面等级的变差而增大的，也就是说路面的平整度越差，冲击系数越大。2.3综合考虑车速、路面平整度对冲击系数的的影响分析取5种不同平整度路面，分别计算车速20一120km/h，得出跨中的位移响应，跨中的位移响应整体上是随路面平整度的变差而变大，但是其变化的幅度不仅跟路面平整度有关，还跟车辆行驶的速度有关。如表3表3不同等级桥面冲击系数对照表分析可以得出：(l)路面平整度较好的情况(A，B，C)，动力冲击系数受车速影响较大，其变化规律基本与光滑路面相一致，桥的最大动挠度整体上随车速的增大而变大，但并不一定单调增加，而是会出现一个或几个波峰。但当路面的平整度变的较差(D，E)，桥的动力放大系数受路面的影响较大，动力冲击变化幅度变大。(2)桥面平整度超过B级以后.各截面动力系数值基本超出规范计算值。(3)考虑车速和路面平整度的祸合作用影响，桥梁位移响应变化基本符合单独考虑车速或路面的平整度的规律，但是由于综合考虑以上两种因素的藕合作用，某种车速和路况的组合，产生力变化周期接近与桥梁固有周期，桥梁位移响应突然变大。桥梁的动力系数将达到其峰值，即桥梁跨中截面动力系数的峰值是由桥梁发生共振引起的。3结束语：根据桥一车振动增量运动方程，模拟荷载在桥梁上运动的过程，考虑车速、路面平整度的影响，得出跨中节点的位移响应：(1)车速速度较快时，车辆通过桥梁的时间较短，高频波动还没有来得及充分发展移动荷载己经过桥，从而使的响应曲线变得光滑。相反在车速较慢时。车辆通过桥梁的时间较长，高频波动得到充分发展而使曲线变得粗糙。(2)考虑路面平整度的影响，桥梁跨中节点位移响应随着路面平整度的变差而增大，当路面“很好”，可以忽略路面对桥梁位移响应的影响，但是随着路面等级的逐渐变差，路面平整度对桥梁跨中节点位移响应的影响也逐渐增大。(3)桥一车振动增量运动方程是基于移动力一梁模型，模型的局限性决定桥一车振动增量运动方程有所欠缺，例如，它假设车为但自由度的弹簧质点系，这就很难描述车运动的真实情况;其次它假设一小段路面平整度是不变的，虽然可以将平整度不变的路面考虑