琼洲海峡跨海斜拉桥方案车桥系统耦合振动仿真分析

１ 桥 梁动力分析模 型及 自振特性分析
琼 洲海 峡跨 海 工 程 主 桥 为公 铁 两 用 双 塔 斜 拉 桥 ，
第 ５期
崔圣爱等 ：琼洲海峡跨海斜拉桥方 案车桥系统耦 合振动仿真分析
表 １ 自振 频 率 及 振 百度文库 特 点
Ｔａ １ Ｆｒ ｑ ｎｃｅ ｎｄ ｏｄｅ ｃ ｂ． ｅ ｕｅ ｉｓ ａ ｍ ｈａｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ａ ｔ ｒｓｉｓ
段， 而大 量 的海湾 、 江河 人海 口 、 岛屿 、 峡等 都 将需 要 海
非 线性 特性 问题 ， 文 将 采 用 多 体 系 统 动 力 学 方 法 建 本
立完整 的车 辆 动 力 学 精 细 化 模 型 ； 用 有 限元 方 法 建 采
架设跨海大桥。琼洲海峡是 中国的三大海峡之一 ， 连 接广东 雷州 半 岛 和海 南 岛 ， 洲 海 峡 跨 海 大 桥 拟 采 用 琼
振 第 ３ 第 ５期 ０卷
动
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琼 洲海 峡 跨海 斜拉 桥 方 案车桥 系统耦 合 振 动仿 真 分析
崔圣爱 ，祝 兵 ，白峰涛 ，李 超
（ 西南交通大学 土木工程 学院 ， 成都
６０ ３ ） １０ １
ｓ ｆ ｔ ａ ｅ ｇ ａ ａ ｔ ｅ ａ ｅｙ ｃ ｎ ｂ ｕ ｒ ｎ ｅ ｄ，ａ ｄ ｉｓｃ ｍｆ ｒ ｎ ｅ ｓｇ ｏ ｎ ｔ ｏ ｏ ｉ ｄ ｘ ｉ ｏ ｄ，ｔ ｅ ｂ ｉ ｇ ａ ｕ ｃｅ ｔｒｇｄ ｔ ｎ ｔ ｉ ｒ ｔｏ ｔ ｔ ｓ ｇ ｏ ． ｔ ｈ ｒｄ ｅ ｈ ｓｓ ｆ ｉ ｎ ｉｉ ｉｙ ａ ｄ ｉｓ ｖｂ ａｉｎ ｓａ ｅ ｉ ｏ ｄ ｉ
采 用有 限元 软 件 Ａ Ｓ Ｓ建 立 斜 拉 桥 方 案 的 动 力 ＮＹ
图 ３ 斜 拉桥方案部分空间振型图
Ｆｉ ３ Ｐａ ｔｓ ａ ｅ ｍ ｏ ｓｏ ａ ｅ ｓａ ｅ ｃ ｍｅ ｇ． ｒ ｐ ｃ ｄｅ ｆｃ ｂｌ— ｔｙ ｄ ｓ ｈｅ
第２ 阶频率＿ Ｏ ９ 主粱对称横弯 ， ．２ ０ ＝
第 ３阶频率／＝ ． ６ ０２ 主粱对称竖弯 ０
图 ２ 斜拉桥方案 主粱断面图（ 位 ： 单 ｍ）
Ｆｇ ２ Ｂ ｄ ｅｄ ｃ ｅ ｔ ｎ ｏ ｉ ． ｒ ｇ ｅ ｋ ｓ ｃｉ ｆ ｉ ｏ
ｃ ｂｅ — ａ ｅ ｒ ｇ ｃ ｅ ｅ（ ｎｔ ａ ｌ ｓ ｙｄ ｂｉ ｅｓｈ ｍ ｕ ｉ ｄ ｔ ｄ ：ｍ） 第７ 阶频率ｆ ０ ０ 主粱反对称竖弯 ＝． ８ ３
Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｒ ｖｄｅ ｅｅ ｅ ｃ ｒｄ ｓｇ ｅ ｒ ｓ ｌｓｐ ｏ ｉ ｄ ａ ｒ ｆｒ ｎ ｅ ｆ ｅ ｉ ｎ． ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ ｒｓ—ｈ ｎ ｅ ｃｂｅｓ ｙ ｄｂｉｇ ｖｒＱｏ ｇｈ ｕｓ ａ ； ｏ ｐｅ ｉｒｔ ｎ Ｃ — ｍ ｌ ｉ ； ｕｔ ｂｄ ｙｗｏｄ ：ｃｏｓ ａ ｎｌ ａｌ— ａｅ ｒ ｅｏｅ ｉｎｚｏ ｔ ｉ ｃｕ ｌ ｖｂａ ｏ ； Ｏｓ ｕａ ｏ ｍ ｌ—ｏｙ ｃ ｔ ｄ ｒｔ ｄ ｉ ｉ ｔｎ ｉ
关键词 ：琼洲海峡跨海斜拉桥 ； 耦合振动 ； 联合仿真 ； 多体系统动力学 ； 限元法 有
中图分类号 ：Ｕ ４ ．７ ４ ８ ２ 文献标识码 ：Ａ
Ｃｏ ｐ ｅ ｉ ｒ ｔｏ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ｃ ｅ ｂｒｄ ｅ ｓ ｓ ｅ ｆ ｒ ｃ ｏ ｓｎｇ・ｈａ ｅ ｕ ｌ ｄ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｎａ ｙ ｉ ｆｖ ｈｉｌ － ｉ ｇ ｙ ｔ ｍ ｏ ｒ ｓ ｉ — ｃ ｎｎ ｌ
摘 要 ：针对琼洲海峡跨海超大跨度斜拉桥方案 ， 建立整 车 一 整桥 系统耦合振动分析 的数值仿 真模 型。采用 空间
杆 系和板壳混合单元有 限元方 法 ， 立斜 拉桥 的动 力分 析模 型 ， 计算 其 空 间 自振 特性 。利用 多体 系统 动 力学 软 件 建 并 ＳＭ Ａ Ｋ建立三维空 间车辆精细化模型 ， ＩＰ Ｃ 充分考虑 了各种非线性 因素 的影响 。最后 ， 采用 基于多体 系统动力学 与有限元 结合 的联合仿真技术 ， 计算列车 以不 同车速单线行车和双 向对开通过 该大跨度斜 拉桥 的空 问耦 合振动 响应 ， 检算该 桥是 否具有足够的横 向、 向刚度及 良好 的运营 平稳性 。计 算结 果表 明 ： 竖 车辆运行 安全 性可 以得 到保 障， 舒适 性指标 为 “ 优 良” 桥梁的具有足够的刚度 ， ； 振动状态 良好 。所得结果可供设计 参考。
桥跨 布置 为 ２ ８ｍ ＋ ０ ＋２ ８ ｍ＋１１０ ｍ ＋２ ８ ｉ ０ ２ ８ｍ ８ ２ ８ ｎ
＋ ０ ＋ ０ ｉ 如 图 １ ， 接广 东 雷 州 半 岛 和 海 南 ２８ｍ ２８１（ ＂ ｌ ）连
岛， 主梁断 面 如图 ２所示 。上 层公 路桥 面宽 ４ 下 层 ２ｍ，
为 ２ ５ｍ。 ．
图 １ 斜拉桥方案跨径 布置图（ 单位 ： ｍ）
Ｆｉ １ ｐａ ｒａ ｇ ｍ ｅ ｆ ｇ． Ｓ ｎ ａ ｒ ｎ ｅ ｎｔｏ
ｃｂ ｄｓ ｙｄｂｉｇ ｃ ｅ ｅ（ ｎｔ ａｌ — ａｅ ｒ ｅｓｈ ｍ ｕ ｉ ｅ ｔ ｄ ：ｍ）
第 ｌ 阶频率ｆ Ｏ ７ 主梁纵飘 ＝．５ ０
ｓ ｓｅ ｄ ｎ ｍｉｓ ｉｎ ｔ ｌｍｅ ｔｍｅｈ ｄ ｙ ｔ ｍ ｙ ａ ｃ ；ｆ ｉｅ ｅｅ ｎ ｔ ｏ
杭 州湾 大桥 、 岛大 桥 、 海 大桥 等 跨海 大 桥 的建 青 东
成通 车 ， 明 中 国跨 海 长 桥建 设 正 处 于蓬 勃 发 展 的 阶 表
车辆运 行 的安全 性 及 舒适 性 评 定 ¨ 。鉴 于 目前 车 桥 ｊ 耦 合振 动对 车 辆 模 型 进 一 步 细 化 的 要 求 ， 其 是 悬 挂 尤
阶次 计算频率／ ｚ Ｈ
振 型特 点
铁路 桥面宽 １ｍ， 梁 高 １ ６ 桁 ８ｍ。索塔 为钻 石 型 ， 总高 度 为 ３０ｍ， ４ 斜拉 索 为 ４ ７平行 钢丝 体 系 ， 桥共 ３ ８＝ 全 ３×
２ ４根 斜拉 索 ， 拉索 在 梁上 索距 为 １ ｌ在塔 上 索距 ６ 斜 ６ Ｉ， ｌ
一
立 桥 梁 的动 力 分 析 模 型 ， 了更 准 确 的模 拟 列 车 单 线 为
行 车 和双 向对 开 时 桥 梁 空 间变 形 的 特 点 ， 路 钢 桥 桥 铁 面板采 用空 间板 壳 单 元 离 散 ； 后 采 用 基 于 多 体 系 统 然
种 主跨 １１０ ２ ｍ的钢 桁 梁斜 拉 桥 方案 ， 大桥 将 分上 下
车辆 的动力 学指 标 。
基金项 目：中央高校基本科研业务费专项 资金资助 （ ＷＪ Ｕ ９ Ｒ ０ ） Ｓ Ｔ ０ Ｂ ０ ９ 收稿 日期 ：２ ０ ０ ９—１ ０ 修改稿收到 日期 ：０ ０— ３一ｌ ２— ４ ２１ ０ 】 第一作者 崔圣爱 女 ， 博士 ， 讲师 ，９ １年生 １８
ｓｍｕ ａｉｎ ｍ ｏ ｅ ｏ ｈ ｃ ｕ ｌｄ ｉ ｒ ｔ ｎ ｏ ｎ ｌ ｓｓ ｔ ｅ ｙ ｔｍ ｆ ｗｈ ｌ ｅ ｉ ｌ ｎ ｏ ｅ ｂ ｉ ｇ ｗａ ｓ ｔ ｐ． Ｔｈ ｉ ｌｔｏ ｄ ｌｆｒ ｔ ｅ ｏ ｐ ｅ ｖｂ ａ ｉ ｆ ａ ａｙ ｉ ｈ ｓ ｓｅ ｏ ｏ ｅ ｖ ｈ ｃ ｅ ａ ｄ ｗｈ ｌ ｒｄ ｅ ｏ ｓ ｅ ｕ ｅ
ｓ ｆ ｃｅ ｔｌｔ ｒｌｏ ｅ ｔｃ ｌｒｇｄ ｔ ｎ ｔｉ ｐ ｒ ｔ ｎ ｓａ ｉｉ ｓ ｆｎ ． Ｔｈ ａｃ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗｅ ｈ ｔｉｓ ｏ ｅ ａｉ ｎ ｕ ｉ ｎ ａｅ ａ ｒｖ ｒｉａ ｉｉ ｉ ａ ｄ ｉ ｔ ｏ ｅ ａ ｉ ｔｂ ｌｔ ｗａ ｅ ｉ ｙ ｓ ｏ ｙ ｉ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｄ ｔ ａ ｔ ｐ ｒｔｏ
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ＣＵ／Ｓ ｅ ｇ ａ ， ＺＨＵ ｎ ｈｎ —ｉ Ｂｉ ｇ，ＢＡＩ Ｆ ｎ —ａ ｅ ｇ ｔ ｏ，Ｌ ａ Ｉ Ｃｈ ｏ
两 层 ， 中铁路 桥 的设计 时速 为每 １０ｋ ／ ， 路桥 设 其 ６ ｍ ｈ 公
计时 速为每 １ ０ｋ ／ 。考虑 到超 大跨度 斜 拉桥 刚 度 问 ０ ｍ ｈ 题 非 常突 出 ， 需要对 其进 行 车桥 耦 合振 动 分 析 ， 并根 据
动力 学与有 限元 结合 的联 合 仿 真 法计 算列 车 以不 同车 速 通 过该桥 时车 桥 系 统 的空 间 振 动 响 应 ， 算 桥 梁 和 检
（ｃ ｏｌ ｆ ｉｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｓｕｈ ｅｔ ｉ ｔｎ ｎｖｒ ｔ， ｈｎ ｄ １０ １ Ｃ ｉａ Ｓｈ ｏ ｏ Ｃｖ ｇ ｅｉ ， ｏ ｔ ｓＪ ｏ ｇＵ ｉ ｓｙ Ｃ ｅｇｕ６ ０３ ， ｈｎ ） ｉＥ ｎ ｎ ｗ ａ ｏ ｅｉ
Ａ ｓ ａｔ Ｂ ｓｄ ｏ ｕ ｅ— ｎ ｒｓ ｎ —ｈ ｎ ｅ ｃｂｅｓ ｙｄｂｉｇ ｃｅ ｅ ｏｅ Ｑ ｏ ｇｈ ｕｓ ａｔ ｕ ｅｉ ｌ ｂ ｔ ｃ： ａｅ ｎ ｓｐ ｒ ｏｇｃｏｓ ｇｃａ ｎ ｌ ａｌ— ａｅ ｒ ｅｓｈ ｍ ｖｒ ｉ ｚｏ ｔ ｉ ｒ ｌ ｉ ｔ ｄ ｎ ｒ ，ａ ｎ ｍ ｒ ａ ｃ