公路桥梁和车辆耦合振动研究趋势探析.doc

公路桥梁和车辆耦合振动研究趋势探析 　　摘 要:本文首先对公路桥梁与车辆耦合振动研究现状进行了系统归纳和总结,然后对公路车桥耦合振动研究以后的研究趋势进行了探析,供有关研究者和同行参考。 　　关键词:公路桥梁 车桥耦合振动 现状 趋势 　　 　　汽车以一定的速度过桥时,由于车辆轴重及速度效应,会引起桥梁结构振动,而桥梁的振动又反过来影响车辆的运行。桥面不平整、桥头引道等因素的存在以及车辆各旋转部分的作用,更加剧了桥梁和车辆之间振动的相互影响。这种相互作用、相互影响的问题就是公路车辆与桥梁之间振动耦合的问题。当公路车辆的振动频率与桥跨的振动频率一致时,即形成共振。车辆和桥梁间的相互作用受到诸多因素影响:1)桥梁结构的动力特性(桥跨结构形式、质量与刚度分布、材料阻尼等);2)车辆的动力特性(车型、自振频率、阻尼等);3)桥头引道和桥面的平整状态、桥头沉陷及伸缩缝装置的状况。由于这些因素的影响和综合作用,使得对车桥耦合振动的研究十分困难。 　　一、公路桥梁与车辆耦合振动研究现状 　　由于实际中车桥耦合振动系统本身的复杂性,并且车型和桥型又种类繁多,以及引起振动的各种激振源的随机性,古典理论显然不能全面合理的模拟车桥耦合振动问题。直到20世纪60年代--70年代以后,电子计算机和有限元方法的问世和发展,使得车桥耦合振动的研究有了飞速的进步。人们可以建立比较真实的车辆和桥梁的空间计算模型,然后用数值模拟法计算车辆和桥梁系统的耦合振动效应。 　　现代车桥振动理论以考虑更接近真实的车辆分析模型和将桥梁理想化为多质量的有限元或有线条模型为主要特点,同时,着重研究道路路面的不平整对荷载效应的影响,对于车辆加速、制动减速效应等复杂的随机因素也进行了一些研究。除简支梁桥之外,连续梁桥、悬索桥、斜拉桥等也逐步涉及。到目前为止,人们对简支梁桥的车桥共振问题的理论和实验研究己经比较系统化,对其它某些桥型,像连续梁桥、索承桥、污工拱桥,也有一定程度的研究成果。1970年,Veletsos和Huang等早期研究者将桥梁理想化为具有集中质量和粘性阻尼的有限自由度梁,考虑了二维平面多轴拖车荷载作用。 　　Chatterjee和Datta把桥梁理想化为正交各向异性板和集中质量分布模拟的梁,分析简支梁桥上车辆刹车和其初始弹力的影响。 　　1987年,毛清华在其博士论文中,对公路汽车荷载作用下的山东胜利大桥(跨度280m)的动力效应进行了理论分析和试验研究。其将斜拉桥理想化为弹性支持连续梁模型,考虑一辆STEYR-1491型多轴载重汽车匀速过桥时在跨中受到高70mm的半正弦波(模拟路面不平顺的影响),计算出斜拉桥跨中截面弯矩反应时程曲线,得到弯矩的动态增量为0.29,与实测值接近。 　　1988年,Kawatani等采用2轴汽车模型研究了一座简支梁桥的非平稳随机振动。其将桥梁作为一个平面系统考虑弯扭耦合作用,忽略桥梁水平方向的振动,路面粗糙度为平稳随机过程,研究了桥梁动力响应的标准差RMS(Root Mean Square)及车辆特征对车桥振动响应的影响。 　　1992年,WangTL和HuangDZ研究了一座主跨为128m的公路斜拉桥的车桥耦合作用。桥梁模拟为平面杆件系统,考虑桥梁恒载的几何非线性影响;汽车模拟为7个自由度的3轴车辆分析模型,并考虑车辆悬挂系统的非线性;路面采用随机数值方法根据公路路面粗糙度功率谱密度函数模拟出好、一般、差三种公路路面,运用振型叠加法求解车桥系统的振动响应以及冲击系数。研究表明,在非常好的路面情况下,斜拉桥各位置的冲击系数在车辆25km/h―120km/h范围内均小于20,但是冲击系数随着路面粗糙度的增加而增大。此外,斜拉桥在墩底及靠近桥塔的主梁截面产生较大的冲击系数,而在靠近主跨跨中的主梁截面中引起的冲击系数较小。 　　谭国辉等在1996年把桥梁与车辆看成是一个整体作用的系统,采用格栅比拟的方法,将桥梁结构视为一个网络的集合,把二维的格栅桥梁与三维的汽车模型组合起来模拟它们之间的相互作用,但忽略了车辆及桥梁的阻尼影响。 　　Mulcahy、Hutton、Cheung、Gupta先后用有限元法或有限条法并结合模态分析技术研究了公路桥梁在双轴车辆通过时的动力响应。Zheng、Cheung、Au和Cheng在1998年应用修正的振动梁函数法对多跨连续梁桥的车振问题进行了理论分析,1999年又研究了多跨连续梁桥车桥振动中的车桥分离问题,即考虑车轮与桥面脱开的问题。 　　2004年,我国学者林梅、肖盛燮以结构动力学为基础,分析了连续梁桥结构在汽车荷载作用下的动态性能,并运用计算机模拟、讨论了不同车速、车型情况下的桥梁动态响应变化,以此分析出影响结构动态性能的主要因素。为简化分析的过程,在他们的研究中将桥梁简化为线