公路桥梁车桥耦合振动研究
浅析桥梁结构的风-车-桥耦合振动问题
浅析桥梁结构的风-车-桥耦合振动问题1 引言：随着我国经济的飞速发展，大跨度桥梁越来越多，由于柔度很大，所以在风和上面的车辆作用下，会产生较大的变形和振动会对上面的行人以及桥梁产生较大的危险。
因而对风-车-桥耦合振动的研究也越来越重要。
本文介绍了目前国内和国外风-车-桥耦合振动研究的概况以及工作中尚存的有待进一步完善的问题，并指出了风-车-桥耦合振动问题未来发展趋势。
2 国内和国外风-车-桥耦合振动研究的概况以及工作中存在的问题2.1国内风车桥耦合振动研究概况我国学者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2]-[3]。
为简化分析的过程，在他们的研究中将桥梁简化为线性系统，略去了桥面和横梁的约束，在计算中采用设计中常用的截面换算法，将钢筋换算成混凝土，同时将截面折算成等面积的矩形，且仅考虑梁的弯曲振动，而不计梁的转动惯量和剪切变形的效应[4]。
2005年，王解军等采用2轴车辆分析模型与梁单元，建立了适应于大跨桥梁车辆振动计算的车桥耦合单元模型，基于功率谱密度函数生成随机路面粗糙度，分析阻尼对行车荷载作用下桥梁振动性能的影响[5]。
北方交通大学夏禾教授、阎贵平教授等研究了考虑车-桥-基础相互作用系统的结构动力可靠性问题桥梁结构在多种随机荷载作用下车桥系统动力可靠性问题、脉动风与列车荷载同时作用下桥梁的动力响应问题，分析了地震荷载对桥上列车运行平稳性的影响得到了许多有价值的结论[6]。
2.2国外风车桥耦合振动研究概况20世纪60；70年代西欧和日本开始修建高速铁路对桥梁动力分析提出了更高的要求同时电子计算机的出以及有限元技术的发展使得车桥振动研究具备了强有力的分析手段这极大地促进了车桥耦合振动研究的向前发展。
美国伊利诺理工学院的K.H.Chu等人最早采用复杂的车辆模型来分析铁路车桥系统的振动响应问题即将机车车辆简化为由车体、前后转向架、各轮对等部件组成各部件看成刚体在空间具有6个自由度之间通过弹簧与阻尼联系起来[7]。
公路桥梁与车辆耦合振动研究趋势探析
公路桥梁与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。
公路桥车桥耦合振动的隐式和显式分析方法研究
ＴｈｅＩｍｐｌｉｃｉｔａｎｄＥｘｐｌｉｃｉｔＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄｆｏｒＶｅｈｉｃｌｅＢｒｉｄｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＶｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈｗａｙＨｒｉｄｇｅ
８
公路工程
４５卷
分的方法求解桥梁振动响应；陈水生 采 ［４］ 用 Ｒｕｎｇｅ －Ｋｕ－ｎｔｔａ的隐式分析方法求解多车激 励的 桥梁振 动响应；陈代海 用 ［５］ Ｎｅｗｍａｒｋ－β的 隐 式 迭 代 算 法 分析简支 Ｔ梁 的 振 动 特 性； 张 政 韬 建 ［６］ 立 隐 式 模 型，用 Ｎｅｗｍａｒｋ－β的隐式迭代算法 求 解 波 形 钢 腹 板连续梁 桥 的 振 动 响 应； 李 岩 建 ［７］ 立 隐 式 模 型 求 解简支梁 桥 的 振 动 响 应； 谢 国 海 用 ［８］ ＬＳ－ＤＹＮＡ 显式方法 求 解 落 石 冲 击 力； 蔡 斌 斌 建 ［９］ 立 显 式 模 型研究船 舶 撞 桥 墩； 赵 辉 将 ［１０］ ＬＳ－ＤＹＮＡ显 式 分 析方法引入 求 解 车 桥 耦 合 振 动 响 应； 李 宗 揆 用 ［１１］ ＬＳ－ＤＹＮＡ分 析 拱 桥 的 车 致 振 动 响 应； 乔 东 钦 ［１２］ 用显式方法求解简支板梁桥的振动响应。但很少有 文献对比分析隐式和显式求解方法的合理性，本文 研究了隐式和显式建模求解方法，并将数值计算结 果与实测值进行对比，分析隐式和显式方法的实用 性，为车桥耦合振动研究提供参考，以更好地服务 桥梁的设计和管养。
ＣＨＥＮ Ｓｈｕｉｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＯ Ｈｕｉ，ＳＯＮＧ Ｙｕａｎ，ＧＵＩＳｈｕｉｒｏｎｇ （ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ＮａｎＣｈａｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ３３００１３， Ｃｈｉｎａ）
公路桥梁车桥耦合振动的模型试验研究
公路桥梁车桥耦合振动的模型试验研究
陈代海;李银鑫;李整;马来景;许世展
【期刊名称】《振动.测试与诊断》
【年(卷),期】2022(42)2
【摘要】基于公路桥梁车桥耦合振动理论,通过精细测量车桥模型参数,建立了车桥梁试验模型和有限元模型,设计了一套公路桥梁车桥耦合振动试验系统。
开展车桥耦合振动试验影响因素分析,探讨了行车道位置、车桥质量比、桥梁支座形式等试验因素的影响规律。
结果表明:车桥模型自振频率的试验值与理论值基本吻合,验证了模型的适用性;不同车道位置10 cm的侧移对车桥动力响应影响不大,试验过程中可根据实际需要选择行车道;车桥质量比是车桥动力响应的重要影响因素,试验中为获得较为明显的车桥振动响应,建议车桥质量比选择范围为0.10~0.16;支座1模型(一端垫块支座、另一端滚轴支座)下车桥竖向加速度响应较为明显,试验过程中桥梁支座可选择支座1模型。
【总页数】8页(P256-262)
【作者】陈代海;李银鑫;李整;马来景;许世展
【作者单位】郑州大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U441.3;U446.1
【相关文献】
1.公路桥梁车桥耦合振动数值分析方法
2.公路桥梁2种车桥耦合振动分析方法的对比研究
3.公路与城市桥梁车桥耦合振动研究发展综述
4.公路梁桥车桥耦合振动模型试验设计及校验
5.基于板单元形函数的公路桥梁车桥耦合振动分析方法研究
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公路车辆与桥梁耦合振动分析研究的开题报告
公路车辆与桥梁耦合振动分析研究的开题报告
一、研究背景和意义
公路交通作为现代交通体系的重要组成部分，在人们的日常生活和经济发展中发挥着重要作用。
但长期以来，公路桥梁的安全问题一直备受关注，其主要原因在于桥梁的振动问题。
随着公路车辆的不断增多和速度的不断提高，极易引起桥梁的共振现象，损害桥梁结构，威胁行车安全。
因此，对公路车辆与桥梁耦合振动的研究具有重要的理论和实际意义。
二、研究目的
通过对公路车辆与桥梁耦合振动机理的分析和建模，探讨其振动现象的规律和性质，为公路桥梁的安全设计提供理论参考。
三、研究内容和方法
1. 建立公路车辆与桥梁耦合振动模型：研究路面、车辆、桥梁的耦合振动模型，考虑桥梁的结构特性及车辆的质量、速度、轮胎刚度等因素的影响。
2. 分析振动特性和规律：研究公路车辆与桥梁的振动频率、幅值、相位等特性，分析共振现象的原因及其规律。
3. 探究振动对桥梁结构的影响：研究桥梁结构在振动下的应变和变形特征，评估振动对桥梁结构的破坏性影响，并提出相应的安全防范措施。
4. 计算模拟和实验验证：通过数值计算和实验验证，检验模型的准确性，并对研究成果进行分析和总结。
四、预期成果
1. 建立公路车辆与桥梁耦合振动的数学模型，掌握其振动规律和特性。
2. 研究振动对桥梁结构的影响，提出相应的安全防范措施。
3. 与该领域前沿研究成果接轨，为相关领域的研究和应用提供理论参考和技术支持。
大跨度公路城轨两用斜拉桥车桥耦合振动分析
性、 舒 适性 就 越来越 为 工程 界所 关注 。 目前 ， 关 于斜 拉 桥 的 列 车一桥 梁耦 合 振 动 分 析 文 献 较 多 。 ， 而 对 大 跨 度 公 轨 两 用 斜 拉 桥 的 列 车 一汽 车一 桥梁 耦合 振 动研 究 较 少 。李 小 珍 等 。 进 行 过 大 跨 度 公铁 两 用斜拉 桥 车 桥 动 力 分 析 ， 但 其 未 建立 汽 车 的 动力分 析模 型 ， 只是 将 折 减 后 的公 路 荷 载 作 为 静 活 载 以集 中节 点力 的形 式加 以近 似考 虑 。本文 根据 车桥 耦 合 系统 振 动分 析理 论 ， 建立 列 车 和 汽 车 空 间振 动模 型， 以某 公轨 两用 斜拉 桥 为研究 对 象 ， 计 算轻 轨 车和 汽 车 以不 同车 速通 过该 桥 时 的车 桥 耦 合 空 间振 动 响应 ， 检 算该 桥是 否具 有 足够 的横 向 、 竖 向 刚度 及 良好 的 运 营 平稳 性 ， 探 讨 轻轨 车和 汽车 同 时过桥 时 的相互 影 响 。 采用 空 问有 限元 法对桥 梁 结构 的真 实情 况进 行 了 离散 。桁 架 主梁 的各 部分 杆件 ， 包 括上 下 弦杆 、 腹 杆 和 桥塔 采用 空 间梁单 元 来 模 拟 ， 斜 拉 索 离 散 成 空 间 杆 单 元， 由于 自重 垂 曲引起 的非 线性 效 应 ， 采用按 Ｅ ｒ ｎ ｓ ｔ 公
（ １ ． 郑卅 Ｉ 大学 土木工程学 院 ， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ０ １ ； ２ ． 中 国水 电顾 问集 团 中南 勘 测 设 计研 究 院 ， 湖南 长 沙 ４ １ ０ ０ １ ４ ）
摘要 ： 用 多刚体 结构 模拟 车辆 ， 空间杆 系单 元模 拟桥 梁 ， 建 立 车桥 耦 合 动 力 系统 。 以某 公轨 两 用斜拉 桥
公路桥梁与车辆耦合振动的研究
影 响效果 。
２ ＿ ２ 车辆 模 型分析
Ｙ ｉ 一 代表 第 ｉ 个 轮 组 在 车 辆运 动 中所 发 生 的 桥
梁 竖 向位移 ；
Ｒ ｉ 一代 表 第ｉ 个 轮组 在车 辆运 动 中 ， 与桥梁 发 生 作 用所 存在 的不 平顺值 。
半 车模 型或者 单轮 车辆 模型 。线性 弹簧 和阻尼 器用 于 悬 架 模拟 、 线 性 弹 簧用 于 轮 胎 模 拟 ， 所 有 的 质 量
都 在车 轴上 集 中。 随着计 算 机技 术 的发展 ， 目前 多 运 用计算 机分 析技 术设 计空 间整 车振 动模 型 。
面 受 力 都 是确 定 的 ， 那么 ， 桥 梁 在 车 辆 负 荷 作用 的 影 响下 也存在 着确 定性 。
是 不容 忽视 的 。实 际操 作 中 ， 车辆 在桥 面上 行驶 ， 车 轮对 于桥 面 的作 用 力可 以是任 意位 置 的 。 而 且 如果 发 生 横 向振 型和 扭 曲振 型 的 时候 ， 对 桥梁 动力 的影 响极 大 。因此 ， 杆 系有 限元法 研究 桥梁 模 型 ， 存在 着
凝 聚法 ” 对 自由度 进 行 有 效控 制 。 因此 而 形 成 一 定
的近 似性 。在 建立 杆 系模 型 的时 候 ， 会将 桥 梁 结构
进行缩减 ， 模 拟 为连 续 粱 或 者 简 支 梁 ， 忽 略 扭 转 振
型 以及 侧 向振 型 的 存 在 。在 不 考虑 单 个 梁 的情 况 下 ，仅 限于对 车辆 沿 中心 线行 驶 的工 况进 行 模 拟 ， 这 样 就可 以获得 精确 的结 果 。特 别是 对于跨 长 均匀
钢—混组合梁桥车桥耦合振动分析及局部疲劳研究
钢—混组合梁桥车桥耦合振动分析及局部疲劳研究钢—混组合梁桥车桥耦合振动分析及局部疲劳研究摘要：随着城市交通的发展和交通运输的日益繁忙，钢—混组合梁桥作为重要的城市交通枢纽，承担着巨大的交通压力。
然而，在长期的运营过程中，钢—混组合梁桥常常会遭受车辆荷载带来的振动和局部疲劳问题，这对桥梁的安全可靠性提出了挑战。
本文通过对钢—混组合梁桥车桥耦合振动以及局部疲劳的研究，旨在为提高桥梁的耐久性和减少维修成本提供理论支持。
1.引言钢—混组合梁桥是一种采用钢结构和混凝土结构相结合的桥梁形式。
其结构特点为钢负责承受水平荷载和高弯矩力，混凝土负责承受垂直荷载和低弯矩力。
这种桥型结构是传统混凝土桥和钢桥的结合，兼具了两种材料的优点。
然而，由于车辆荷载的作用，桥梁会产生振动，从而引发局部疲劳破坏。
因此，针对钢—混组合梁桥车桥耦合振动以及局部疲劳进行研究具有重要的现实意义。
2.车桥耦合振动分析车桥耦合振动是指运行车辆的振动会导致桥梁结构的振动，并且车桥振动与桥梁振动相互影响。
车桥耦合振动可以通过数学模型进行分析和预测。
通过建立动力学方程、运用傅里叶变换等方法，可以解决车桥耦合振动的问题。
实际工程中，可以利用有限元软件对桥梁进行车桥耦合振动分析，并可以预测车桥振动对桥梁结构的影响。
3.局部疲劳研究桥梁的局部疲劳指的是在特定的应力范围下，桥梁结构发生疲劳破坏的现象。
在钢—混组合梁桥中，常常会出现焊缝和连接件等局部部位的疲劳损伤。
局部疲劳的研究需要利用疲劳试验、应力分析等方法，以确定桥梁在不同工况下的局部疲劳特性。
通过分析局部断裂机理，可以提出针对性的改进措施，增强桥梁结构的抗疲劳能力。
4.耐久性改进措施为了提高钢—混组合梁桥的耐久性和减少局部疲劳破坏，可以采取以下措施：4.1 结构优化设计：通过优化桥梁的几何形状和剖面尺寸，减小悬臂长度和跨距，以降低桥梁的自振频率，从而减少车桥耦合振动。
4.2 车辆配置优化：调整交通流量和车辆速度，减少车辆对桥梁的荷载作用，降低桥梁的振动响应。
公路桥梁与车辆耦合振动控制研究现状综述
公路桥梁与车辆耦合振动控制研究现状综述作者：陈柯吴实渊王睿喆马鸿雨来源：《科技创新与应用》2013年第12期摘要：通过综述国内外公路桥梁与车辆耦合振动控制研究的现状、研究遇到的问题、主要的研究手段、分析研究可能出现的新的技术趋势、并结合国内外车桥耦合振动控制研究的成果。
关键词：公路桥梁；车辆耦合振动；控制1 引言结构疲劳是结构老化的主要原因之一。
因此，通过将降低应力峰值延长结构的使用寿命具有广泛前景的研究。
当由大量车辆荷载通过桥梁时，桥梁结构内的结构构件处于高应力水平。
这种应力引起结构的疲劳。
通过减小由车桥耦合振动引起的应力峰值来减少结构的疲劳破坏和延长结构的使用寿命，具有良好的研究前景。
现代结构控制技术分为隔振、消能减振和主动控制。
隔振和消能减振是无外加能源的控制，其控制作用是控制装置随结构一起振动而产生，属被动控制；主动控制是依靠外界能量提供控制作用来抑制结构反应。
2 车桥耦合振动TMD控制技术的研究现状及其分析况调谐质量阻尼器（TMD）控制是结构消能减振控制技术中的一种。
目前，它被认为是除基础隔振技术外另一个有广泛发展前景的结构控制方法，土木工程的各领域都对它进行了较多地研究。
TMD控制领域控制方面的综述文献较多，这里不再论述。
3 车桥耦合振动半主动控制技术的研究现状及其分析况半主动控制液压阻尼器以其结构原理简单，技术要求相对较低和维修方便，而得到较为广泛的应用。
1995年，S. J. Shelley[1]等人在一座跨度为250英尺的钢桁架公路桥上沿全长设置振动主动控制系统。
1999年，美国W. N. Patten等人建立了第一个应用于实际桥梁半主动控制系统ISB（Intelligent Stiffener for Bridges）。
M. Zribi和N. B. Almutairi等（2006年）[2]人研究了悬索桥由于桥面上以恒定速度移动的垂直负载的振动控制。
通过安装于缆线之间的桥面悬索安装液压驱动器能够产生半主动控制力。
公路桥梁的车桥耦合振动研究的开题报告
公路桥梁的车桥耦合振动研究的开题报告一、研究背景与意义公路桥梁是高速公路运输的重要设施，为了满足日益增长的车辆通行需求，设计者需要考虑桥梁结构在高频振动下的稳定性和牢固性。
在桥梁通行过程中，因车辆的运动产生的振动会反作用到桥梁上，导致桥梁产生弯曲和变形，从而影响安全和舒适性。
车桥是指车辆和桥梁之间的接口，车桥耦合振动是指车辆在桥梁上行驶时由于弹性变形产生的振动传递到桥梁上，同时桥梁对车辆产生的力也会产生振动。
这种耦合振动会显著影响桥梁的稳定性，也会影响车辆的操控能力和乘坐舒适性。
因此，在公路桥梁的设计和施工中，需要考虑车桥耦合振动的影响因素和控制方法，以提高桥梁和车辆的性能和安全性。
二、研究内容和方法本文将从公路桥梁和车辆两个角度入手，研究车桥耦合振动的影响因素和控制方法。
具体研究内容包括：1.公路桥梁的振动特性分析。
首先，对不同类型的桥梁进行振动测试和数值模拟，分析桥梁的自然频率、阻尼比和模态形态等参数，了解桥梁的振动特性。
2.车辆振动特性分析。
通过车辆加速度测试和数值模拟，分析车辆的自然频率、阻尼比和振型等参数，了解车辆振动特性。
3.车桥耦合振动模拟和试验。
通过建立车桥耦合振动模型，进行数值模拟和试验，分析车桥耦合振动的动态响应和传递规律，探究不同因素对车桥耦合振动的影响。
4.车桥耦合振动控制方法研究。
通过对车桥耦合振动的控制方法进行分析和对比，提出针对不同情况的控制策略和措施，以减轻车桥耦合振动对行车安全和乘坐舒适性的影响。
本文将采用有限元方法和试验相结合的方式，综合分析车桥耦合振动的影响因素和控制方法，为公路桥梁的设计和施工提供科学依据和技术支持。
三、预期成果本研究将深入探究公路桥梁和车辆之间的耦合振动机理，分析车桥耦合振动的影响因素和控制方法，提出可行的车桥耦合振动控制策略和措施，具有较高的实用价值和指导意义。
预期成果包括：1.公路桥梁的振动特性研究报告，包括桥梁自然频率、阻尼比和模态形态等参数的测试和分析结果。
大跨度斜拉桥的公路车桥风耦合振动研究
２ 风 －车 －桥动力响应计算结果 ２．１ 桥梁动力响应
风场内汽车 －桥梁 －风耦合体系中桥梁左主跨 跨中竖向位移时程曲线以及不同风速的 ＲＭＳ曲线 如图 ３、图 ４所示，响应统计值如表 ３所示。从计算 结果可以得到以下结论：桥梁跨中的竖向位移在风 速超过 ２５ｍ／ｓ时迅速增加，且与风速大小呈非线性 增长。所以要对风速超过 ２５ｍ／ｓ时的汽车安全性 和舒适性的指标系数给予特别关注；车辆与风荷载 的共同作用点效果体现了桥梁跨中竖向位移，当风 速没有超过 ２０ｍ／ｓ时起主导作用的是车辆，当风速 超过 ２５ｍ／ｓ时起主导作用的是风荷载。
由于能用于研究计算的模型模拟能力较为局 限，而现在的公路汽车的性能和结构又非常复杂，因 此在研究计算中，在考虑车桥耦合动力特性时，把公 路汽车简 化 成 刚 体 系 统，包 括 了 具 有 质 量 的 刚 体 （车身）、弹性连接构件（悬挂系统：弹簧和阻尼）、轮 胎等部件，即把车辆看做是多刚体离散系统。单个 的构件都具有横向、纵向、竖向、侧弯、竖弯、扭转，６ 个方向的自由度。但是车辆在匀速运动时在行驶方 向的纵向振动对车桥耦合系统的横向和竖向振动的 影响非常微略，所以在研究分析时可以不用建立单 独构件的纵向自由度。因此，单独的刚体在模型中 只研究 ５个方向的空间自由度。利用惯性力和施加 外力平衡以及所做虚功总和为零的原理建立汽车的 运动学方程（多刚体离散系统）时，按照进行简化过 的基本原理［１－２］建立两轴汽车空间动力模型。 １．２．２ 桥上车流随机分布
２０１９年 第 ７期 陈一鸣：大跨度斜拉桥的公路车桥风耦合振动研究
— １７—
市邻玉长江大桥随机车流分布如图 ２所示。在 １、
２、３车道上，相同方向车道的车速分别为 ８０ｋｍ／ｍ、
基于车桥耦合振动的桥梁动应力分析及疲劳性能评估
基于车桥耦合振动的桥梁动应力分析及疲劳性能评估一、本文概述随着交通运输业的快速发展，桥梁作为交通网络的关键节点，其安全性与耐久性越来越受到人们的关注。
在桥梁运营过程中，车辆与桥梁之间的相互作用会产生复杂的振动现象，这种现象被称为车桥耦合振动。
车桥耦合振动不仅影响行车的平稳性，还会对桥梁结构产生动应力，进而影响桥梁的疲劳性能。
因此，对基于车桥耦合振动的桥梁动应力分析及疲劳性能评估进行研究具有重要的理论价值和现实意义。
本文旨在深入探讨车桥耦合振动对桥梁动应力和疲劳性能的影响机制，通过理论分析和数值模拟相结合的方法，建立桥梁动应力分析及疲劳性能评估的理论框架。
文章首先回顾了车桥耦合振动理论的发展历程和研究现状，然后详细阐述了车桥耦合振动的基本原理和计算方法。
在此基础上，建立了桥梁动应力的分析模型，并通过实例验证了模型的有效性和准确性。
随后，文章进一步探讨了桥梁疲劳性能评估的方法和技术，结合工程实例进行了详细的分析和讨论。
本文的研究结果将为桥梁设计、施工和维护提供重要的理论依据和技术支持，有助于提升桥梁的安全性和耐久性，推动交通运输业的可持续发展。
本文的研究方法和成果也可为其他相关领域的研究提供有益的参考和借鉴。
二、车桥耦合振动理论基础车桥耦合振动分析是桥梁动力学领域的重要研究方向，旨在揭示车辆与桥梁结构之间相互作用对桥梁动力响应的影响。
车桥耦合振动涉及多个复杂因素，包括车辆动力学特性、桥梁结构特性以及车桥之间的相互作用力。
在车辆动力学方面，需要考虑车辆的质量分布、悬挂系统刚度与阻尼、车轮与轨道之间的接触特性等因素。
这些因素直接影响车辆自身的振动特性，进而影响到车桥耦合振动中的动力传递。
桥梁结构特性则包括桥梁的跨度、截面形状、材料特性以及支撑条件等。
桥梁结构的动力学特性对车桥耦合振动响应起着决定性作用。
例如，桥梁的固有频率、模态振型等参数会直接影响车桥耦合振动的动力传递和分布。
车桥之间的相互作用力是车桥耦合振动的核心问题。
公路与城市桥梁车桥耦合振动研究发展综述
减法 ，提高了计算效率 ，适 用于模拟 多车双 向不 同速过桥情 况。 同时还通过实例验证了该法的可靠性 。 Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｃｈ ｅ ｕｎ ｇ ， Ａ ｕ和 Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｌ ７ － ８ Ｉ 在 １ ９ ９ ８年应 用修正 的振动梁 函数法对连续 梁 桥的车振进行 了理论分析 ，１ ９ ９ ９ 年 又研究了多跨连续梁 桥车桥振动 中的车桥分离 问题 。２ ０ ０ ３年 ，Ｘ ｕ和 Ｇｕ ｏ Ｉ ９ ］ 评价 了某座斜拉桥在风力作 用下的车桥 路耦合系统的安全性 ；桥
保计算结果的精确性 。 二 、车 辆 和 桥 梁 耦 合 振 动 的现 状
１ ． 公 路 桥 梁 车桥 耦 合 振 动 的 国 外研 究
等【 ｌ 采用两轴车辆模型与梁单元 ，建立 了适应于大 跨斜 拉 桥 的风一车 一桥耦合 单元模 型 ，基于功率谱密度 函数 生成 随 机路面不平度 ， 分析 了行车荷载作 用下桥梁振动性能 的影响 。 现代 车桥 系统耦合振 动研 究可 以更精确地 考虑 桥梁模
在 移 动 的 车 辆 荷 载 作 用下 ，桥 梁 将 产 生 结 构 振 动 、 冲 击
等 动力效应 ，且 由于桥面不平整 、桥 头引道等 因素更加剧 了
桥梁和 车辆之间 的相互影 响，这种相 互影响就是车辆与桥梁 振 动的耦合问题 。而这种耦合振 动受到很多 因素 的影响 ，比 如桥梁 自身 的结构特性 ：自振 频率、振型和桥面铺装 的平整 度 等 ，车辆 的轴数、行驶速度 及悬架系统的减震性能等 ，还 有桥面的平整度 ，桥头 的伸 缩缝维护状况等 。由于这些影 响 因素的综合 作用 ，使得车桥耦合振动研究十分困难。
（ 浙江工业大学 建筑Ｚ － 程 学 院 ，浙 江 杭 州 ３ １ ０ ０ １ ４）
公路桥梁与车辆耦合振动研究综述
公路桥梁与车辆耦合振动研究综述1 前言车辆以一定的速度通过桥梁，桥梁受到车辆荷载的激励会产生振动，反过来桥梁的振动对于车辆来说也是一种激励，因此车辆和桥梁的振动是一个相互影响，相互耦合的过程，我们称之为车桥耦合振动问题。
随着交通事业的迅猛发展，车载重量和运行速度不断提高，而桥梁结构则日趋轻型化，车辆和桥梁之间的动力问题日益引起人们的重视。
对于桥梁工作者而言，车桥耦合振动问题的对应点即为桥梁在移动车辆荷载作用下的强迫振动问题。
2主要研究成果自十九世纪末，各国学者就相继对车桥耦合振动进行了大量研究，称其研究为古典理论。
古典理论对车桥模型进行了大幅简化，桥梁模型均是连续的，主要是对车辆荷载的模拟有了一定的发展进步。
实际上，由于实际桥梁和车辆耦合振动系统本身的复杂性，并且车型和桥型种类繁多，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地模拟车桥耦合振动问题。
直到二十世纪六、七十年代，随着电子计算机的应用以及有限元技术的发展，使得车桥耦合振动的研究有了飞速的进步。
自70年代起的现代桥梁车辆振动分析理论，以考虑更接近真实的车辆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，同时着重研究公路桥面平整度对荷载动力效应的影响。
主要的理论有：多轴车辆模型的作用、有限条法及模态分析法等。
谭国辉、巴梅特.GH、汤比勒.DP提出将二维的格栅桥梁与三维的汽车组合起来模拟二者之间的相互作用。
采用格栅比拟方法，将桥梁结构比拟成一个网格的集合，由纵向主梁和横向隔板组成。
从动力学分析的角度推导出三维汽车模型。
汽车的运动由只发生刚体运动的刚性底盘描述，汽车有各种非线性悬挂系统和弹性轮胎，每个轮轴都有垂直自由度。
该理论从空间结构着手分析了车桥系统的相互作用，能有效地反映系统相互作用的真实特性。
2000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。
公路高墩大跨桥梁车桥耦合振动分析
ｍａｅｉ Ｆ ｒ ａ ． ｎｔｅ ｒｊｃ ｂｃ ｇｏ ｎ ｆ ａ ｒ ｇ ｈｊ ｎ ｒｖｎｅ ｔｅ ｎ ｕｎ ｅ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｒｔ ｄ ｏｔ ｎ Ｏ ｏｅｔ ａｋ ｒｕ ｄｏ Ｂ ｉ ｅ ｎＺ ｅ ａｇｐｏ ｉｃ ， ｆ ｅ ｃ ｆ ｒ ｔａｔ ｓｏ ｎ ｒ ｈｐ Ｊ Ｘｉ ｄ ｉ ｉ ｈ ｉｌ ｏ ｄ ｆｅ ｆ ｏ
发 展状 况 和规 模更 加 推动 了车辆 与桥 梁动 力 相互 作用 研究 的深 入 。 本 文 以浙 江 省 内 的夹 溪 特 大 桥 （ 应 力 混 凝 预
辆模 型（ １ 图 、图２前 ，作 了如 下假定 ： ） １ 车辆 沿线 路作 等 速运 动 ，纵 向动 力作 用可 ）
忽略 ；
ｔ ｎａ ｃｒ ｓ ｈｅｄｙ ｍｉ ｅ ｐｏｎ ｅｏｆ ｇ ｗ ａ ｉ ｇｅｗｉｈ ｈ ｇ ａ ｓａ ｏ ｐａ ｉ ｎａｙｚ ｄ． ｓ ｈ ｙｂｒｄ ｔ ｉ ｈ ｐｅ ｒ ｎｄ ｌｎｇ ｓ ｎ ｓａ ｌ ｅ ｈｉ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｎ ｔ ｅ ｅ ｔｍ ｅｈｏｄ ｒｄ ｉ ｇｈｐｉｒ ｎｄｌ ｎｇ ｓ ｎ；ｓ ｐａ ａｉ ｎ ｉｅ ａ ｉｎ ｍ ｅｈｏｄ ｏ ｐｌｎｇｖｉ ａ ｉ ｆ ｉｅｅｌｍ ｎ ｔ ；ｂ ｉ ｇｅｗ ｔ ｈｉ ｅｓａ ｏ ｐａ ｈ ｅ ｒ ｔｏ ｔ ｒ ｔｏ ｔ ；ｃ ｕ ｉ ｂｒ — ｔｏ ｅ ｃ ｅ ｂ ｉ ｇ ｉ ｎ ｏｆｖ ｈｉｌ ・ ｒｄ ｅ
ｃｅ ｂ ｉ ｇ ｙ ｔｍ ｒ ｓ ｂ ｉｈ ｄ Ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ｉ ｒ ｔｏ ｔ ｏ ｓｕ ｅ ｏ ｖ ｎ ｅｅ ｕ ｔ ｎ ａ ｄ ｓ ｌ ｉ ｇ ｐ ｏ ｒ ｍ ｌ－ ｒ ｅ ｓ ｓｅ ａ ｅｅ ｔ ｌ ｅ ． ｅ ａ ａ ｉ ｅ ａｉ ｎ ｍｅｈ ｄ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｌ ｉ ｇ ｔ ｑ ａ ｉ ， ｎ ｏｖ ｎ ｒ ｇ ａ ｉ ｄ ａ ｓ ｏ ｔ ｎ ｈ ｏ ｓ
公路桥梁车桥耦合振动数值分析方法_刘世忠
2014年1月郑州大学学报（工学版）Jan．2014第35卷第1期Journal of Zhengzhou University （Engineering Science ）Vol.35No.1收稿日期：2013－09－13；修订日期：2013－11－06基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20090205110002）；太原科技大学校青年科技研究基金（20113018）．作者简介：刘世忠（1978－），男，山西晋城人，太原科技大学讲师，博士研究生，主要从事车桥耦合动力分析与研究，E-mail ：lszll888@sina．com．文章编号：1671－6833（2014）01－0094－05公路桥梁车桥耦合振动数值分析方法刘世忠1，2，刘永健2，程高2，王旭2，李娜2，赵明伟1（1．太原科技大学交通与物流学院，山西太原030024；2．长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西西安710064）摘要：针对公路桥梁车桥耦合振动响应分析的复杂性，结合分离迭代法原理与车辆动力学理论，提出了基于ANSYS 的车桥耦合振动响应数值分析方法．将车辆模型与桥梁模型分别独立建于ANSYS 软件环境中，利用约束方程实现任意时刻车轮与桥面接触点的位移协调关系（力的平衡关系自动满足），基于ANSYS 瞬态动力学求解功能，采用APDL 编程实现车辆（车流）过桥的耦合动力时程响应分析，并与相关文献算例结果进行了定量比较．研究结果表明：该方法精度较高，与文献结果对比，光滑路面下响应相对误差均在5%以内，考虑桥面平整度时响应趋势基本一致；该方法在任意载荷步处不需要迭代计算，避免了复杂程序设计，极大地提高了分析效率．关键词：桥梁工程；公路桥梁；数值分析；车桥耦合振动；动力响应；有限元法；约束方程中图分类号：U441．3文献标志码：Adoi ：10．3969/j．issn．1671－6833．2014．01．0220引言近年来，随着中国桥梁设计分析能力及施工技术水平的快速发展与车辆生产制造工艺的大幅提高，桥梁结构轻型化与交通高速重载化趋势日益增强，公路桥梁车桥动力相互作用问题愈显突出，已成为桥梁设计、施工、运营与养护全寿命阶段必须加以考虑与解决的问题［1－3］．目前，国内外车桥耦合振动问题的研究方法主要可分为现场实测法、经典理论解析法、模型试验法与数值分析法4类［2－3］．现场实测法是早期车桥耦合振动主要采取的研究方法，其费工费时，所得结果是对所有因素的一个综合反映，不能形成严密的理论体系；经典理论解析法受计算条件的限制，采用简化的车辆与桥梁模型进行近似地计算，分析精度难以保证；模型试验法试验设计复杂，费用昂贵，且难以考虑实际交通荷载的随机性；20世纪60、70年代，电子计算机与有限单元法的问世与发展，使得车桥耦合振动研究从车桥系统的力学模型、激励源的模拟到研究方法与数值计算手段等都有了质的飞跃，数值分析方法开始被国内外学者广泛应用于各类桥梁的车桥耦合振动响应研究中［4－6］．但现有数值方法大多需推导车桥系统的振动方程，并编制专用分析求解程序，车桥振动分析实现复杂，不便于工程人员掌握与应用．施颖、宋一凡等提出基于ANSYS 的车桥耦合振动分析法，虽可解决公路复杂桥梁的车桥振动问题，但需迭代计算，不适合车流作用下的车桥耦合振动分析［7］；蒋培文、贺拴海等充分利用大型通用有限元分析软件ANSYS ，避免了车桥系统运动方程的推导，但其在任意时刻车轮与桥面位移协调关系方面存在一定的近似性，且仅适用于梁单元［8］．因此，寻求一种高效实用的车桥耦合振动分析方法对公路桥梁车桥耦合振动研究具有重要的理论价值及工程实际意义．1车桥耦合振动分析模型车辆与桥梁模型是车桥耦合振动的重要影响因素，有限元软件ANSYS 拥有丰富的单元库与材料模型库［9］，能建立比较精准的车辆与桥梁模型，从而极大地提高车桥振动分析的精度．1．1车辆结构模型汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行适当简化［10］．在研究车桥垂向（竖第1期刘世忠，等：公路桥梁车桥耦合振动数值分析方法95向）耦合振动问题时，空间整车模型只需考虑车体的浮沉、俯仰和侧倾3个自由度与每个车轮的竖向位移，平面半车模型（单轨模型）只需考虑车体的浮沉和俯仰2个自由度与每个车轮的竖向位移自由度．图1为一个把汽车车身质量看作刚体的两轴汽车简化立体模型．汽车车身质量为M ，它由车身、车架及其上的总成所构成，其绕通过质心的纵轴x 和横轴z 的转动惯量分别为I x 与I z ，车身质量通过悬架弹簧和减振器与车轴、车轮相连接．各车轮、车轴构成的非悬挂（车轮）质量为m i （i =1，2，3，4），车轮再经过具有一定弹性与阻尼的轮胎支承于桥面（地面）上．图1中：Y 为车体的竖向位移；θ，φ分别为车体绕纵轴x 和横轴z 的转角位移；y i （i =1，2，3，4）分别为前、后轴各车轮的竖向位移．图1两轴汽车简化立体模型Fig．1Simplified spacial model of two-axle vehicle图2为对应图1两轴空间简化汽车的AN-SYS 多刚体有限元模型，图中M0表示MASS21质量单元，K0表示COMBIN14弹簧阻尼单元．在ANSYS 软件中建立车辆模型时，车体质量单元MASS21与悬架弹簧阻尼单元COMBIN14之间通过刚性梁进行连接，以实现位移与力的传递．基于上述方法，利用ANSYS 软件可以建立常见汽车车型（多轴或拖挂车）的空间或平面简化模型．当考虑车流过桥时，可在相应车道分别依次建立多辆车进而形成车流模型．1．2桥梁结构模型车桥耦合振动分析中桥梁结构型式是多种多样的，涵盖了梁桥、拱桥、刚构桥、悬索桥、斜拉桥及各种组合体系桥梁等全部桥型．大型通用有限元分析软件ANSYS 功能强大，具有丰富的单元库与材料库，可以对任何结构体系的桥梁进行全桥仿真分析［1］．图2两轴空间简化汽车ANSYS 模型Fig．2ANSYS model of two-axlesimplified spacial vehicle1．3桥面不平度模型及其模拟桥面（路面）不平度是指桥梁（道路）表面相对于理想基准面的偏离程度，是车桥耦合振动的主要影响因素．大量的试验研究表明，桥面不平度是具有零均值、各态历经的平稳Gauss 随机过程，通常用功率谱密度来描述桥面的统计特性．根据GB /T 7031—1986《车辆振动输入与路面平度表示方法》［11］建议的公路路面功率谱密度拟合表达式（式（1）），采用离散傅立叶逆换法，利用MATLAB 软件编程模拟了A ，B ，C 与D 级桥面平整度样本，见图3．G x （n ）=G x （n 0）n n ()－ω．（1）式中：n 0为参考空间频率，其值为0．1m －1；n 为空间频率；G x （n 0）为参考空间频率n 0下的路面功率谱密度值，称为路面不平整度系数，它取决于路面等级；ω为频率指数，取为2．图3桥面不平度模型Fig．3Model of bridge surface roughness2车桥耦合振动分析原理与方法2．1位移协调关系及其实现动力有限元分析中，三维实体桥梁模型通常单元数量巨大，求解资源耗费较多，而采用杆、梁和板（壳）单元及其组合能实现对几乎所有结构96郑州大学学报（工学版）2014年型式桥梁的模拟．由于篇幅限制，笔者仅讨论梁单元车桥振动实现原理，板单元可参照其进行分析．图4为采用梁单元模拟桥梁的车桥耦合模型示意图，车辆采用前述空间两轴车模型．图4车桥耦合模型Fig．4Model of vehicle-bridge coupling图4中，L 1，L 2，L 3与L 4分别表示车辆模型中各车轮与桥面接触位置处节点号．y l 1，y l 2，y l 3与y l 4分别表示节点L 1，L 2，L 3与L 4的竖向位移．Oxyz 为整体坐标系，桥梁建模时方向规定为：x 为纵桥向，y 为竖桥向，z 为横桥向．2．1．1确定车辆模型中车轮与桥面接触节点在任意时刻的位置坐标桥面作用的车辆行驶轨迹通常平行于桥梁中轴线，其速度状态通常为匀速或匀变速状态．设初始时刻车辆模型各L i 节点的位置坐标分别为（L ix ，L iy ，L iz ）（i =1，2，3，4），桥面车辆的初始速度为v 0，加速度为a （匀速时a =0），则任意时刻t ，各L i （i =1，2，3，4）节点的位置坐标分别为L ix （t ）=L ix +v 0t +at 2/2；L iy （t ）=L iy ；（i =1，2，3，4）L iz （t ）=L iz {．（2）2．1．2车轮与桥面接触位置处桥梁位移在任意时刻t ，车辆模型中车轮与桥面接触节点坐标确定后，由于该节点未必处于桥梁节点处，故存在车轮位置处与桥梁节点处位移的转换问题，梁单元内任意位置处竖向位移［12］可表示为式（3）．v （x ）=（1－3ξ2+2ξ3）v 1+（3ξ2－2ξ3）v 2+l （ξ－2ξ2+ξ3）θ1+l （ξ3－ξ2）θ2；ξ={x /l．（3）2．1．3利用约束方程实现位移协调车辆在桥梁上行驶过程中，假定车轮与桥面始终密贴接触而无跳起，则任意时刻，车桥系统车辆模型中车轮与桥梁接触节点位移y li 、相应位置处桥梁位移y qli 与桥面不平度r li 之间存在确定关系（位移协调关系）为y li －y qli －r li =0．（4）式中：y li （i =1，2，3，4）为车轮节点L i 的竖向位移；y qli 为桥梁相应车轮L i 节点位置处竖向位移，依据公式（3），可用桥梁相关节点处位移表示；r li 为车轮L i 节点位置处桥面不平整度．利用ANSYS 软件约束方程功能，可以在任意载荷步（任意时刻）建立车辆与桥梁之间的位移协调关系，（4）式的约束方程形式为CE ，，r li ，L i ，UY ，1，QL j ，Lab ，C i其中，QL j 表示桥梁相关节点号；Lab ，C i 分别表示自由度标签（UX ，UY ，UZ 或ＲOTX ，ＲOTY ，ＲOTZ ）与系数，可按式（3）确定．当桥梁相关节点较多时，可以采用多行CE 输入的方法．2．2车桥耦合振动分析方法基于大型通用有限元分析软件ANSYS 平台，利用其瞬态动力学分析功能，采用APDL 语言，编制了公路桥梁车桥耦合振动分析系统，具体方法步骤如下．Step1：采用ANSYS 软件建立桥梁有限元模型，进行模态分析，得到桥梁基频与自振周期T ．选取合适的时间积分步长，一般积分步长可取为Δt ≤T /15．Step2：输入车道与车辆信息，包括车道位置、数量、方向和车速，车辆数量、初始位置特性参数等．Step3：根据Step2的车辆信息，建立车辆（车流）多刚体有限元模型．Step4：通过MATLAB 编程生成桥面不平度样本，并将其读入ANSYS 表数组中，表的0列行索引为纵桥面位置坐标值．任意时刻车轮位置确定后，车轮作用处的桥面不平度可以通过表的自动插值功能确定．Step5：根据位移协调关系式（4），采用AN-SYS 约束方程，建立任意时刻车轮与桥面接触点的竖向位移约束条件，利用APDL 语言结合瞬态动力学分析功能自编宏文件实现车辆（车流）过桥的耦合动力时程分析．Step6：进入时间历程后处理器查看桥梁位移、内力与应力时程，计算桥梁冲击系数．第1期刘世忠，等：公路桥梁车桥耦合振动数值分析方法973算例验证为验证笔者方法与自编程序的正确性与可靠性，利用文献［5－6］中的算例，采用笔者方法分别对其进行仿真计算，并对计算结果进行对比分析．文献［5］中的1/2车辆模型作用下简支梁算例，车辆为2轴半车模型，参数按表1取值．简支梁参数如下：计算跨径32m ，抗弯刚度为3．5ˑ1010N ·m 2，单位长度质量为5．41ˑ103kg ·m －1，不考虑桥梁阻尼与桥面不平度影响．笔者计算结果与文献［5］按Ｒuge －Kutta 法计算结果比较见图5，可以看出该计算结果与文献［5］计算结果十分吻合，不同行车速度下两种方法跨中位移最大相对误差均小于5%．分别模拟了A 级与B 级32m 长桥面不平度样本，利用该方法计算了各桥面等级下不同车速时简支梁桥跨中挠度响应时程曲线与冲击系数，由于篇幅限制，仅列出冲击系数计算结果，见表2．表1车辆技术参数Tab．1Technical parameters for vehicle1/2车辆模型参数参数取值上层刚度系数k si /（N ·m －1）2．535ˑ106上层阻尼系数c si /（kg ·s －1）1．96ˑ105下层刚度系数k ti /（N ·m －1）4．28ˑ106下层阻尼系数c ti /（kg ·s －1）9．8ˑ104轮对质量m i /kg4330车体质量M /kg3．85ˑ104车体点头刚度I α/（kg ·m 2）2．466ˑ106轴距L u /m8．4由于桥面不平度模拟具有随机性，每次模拟出的桥面不平度样本均不完全相同，计算结果必然会存在少量差异．从表2可以看出，笔者计算冲击系数与文献［6］计算结果基本吻合，最大相对误差为5．7%，但冲击系数变化趋势基本一致，说明该方法具有较高的精度与可靠性．图5不同速度下简支梁跨中位移响应曲线比较Fig．5Comparison of response curves of mid-span vertical displacement for simply-supported beamwith different vehicle speeds表2冲击系数比较Tab．2Compare of impact coefficients桥面等级车速/（km ·h －1）本文计算结果文献［6］结果相对误差/%A 级桥面401．061．060．0601．081．134．4801．031．073．71001．101．154．31201．151．140．9B 级桥面401．081．090．9601．161．235．7801．141．140．01001．201．232．41201．251．231．64结论（1）通过与相关参考文献算例结果的对比分析，光滑路面下响应相对误差均在5%以内，考虑桥面平整度时响应趋势基本一致，故笔者所提车桥振动方法精度较高，可以应用其进行公路桥梁车桥耦合振动的研究．（2）笔者方法利用约束方程实现车桥位移协调关系，在任意载荷步处不需要迭代求解，避免了复杂程序设计，提高了分析效率．（3）通过MATLAB 仿真得到桥面平整度样本，利用APDL 语言将其读入ANSYS 表数组中，采用表数组的自动插值功能实现任意位置处桥面不平度值的获取．笔者方法可以考虑桥面不平度对车桥耦合振动的影响，且易为工程人员掌握．98郑州大学学报（工学版）2014年参考文献：［1］刘永健，刘世忠，米静，等．双层公路钢桁梁桥车桥耦合振动［J］．交通运输工程学报，2012，12（6）：20－28．［2］李小珍，张黎明，张洁．公路桥梁与车辆耦合振动研究现状与发展趋势［J］．工程力学，2008，25（3）：230－240．［3］夏禾，张楠．车辆与结构动力相互作用［M］．2版．北京：科学出版社，2005．［4］YANG Y B，WU Y S．Versatile element for analyzing vehicle-bridge interaction response［J］．EngineeringStructures，2001，23（5）：452－469．［5］沈火明，肖新标．求解车桥耦合振动问题的一种数值方法［J］．西南交通大学学报，2003，38（6）：658－662．［6］陈榕峰．公路桥梁车桥耦合主要影响因素仿真分析方法研究［D］．西安：长安大学公路学院，2007．［7］施颖，宋一凡，孙慧，等．基于ANSYS的公路复杂桥梁车桥耦合动力分析方法［J］．天津大学学报，2010，43（6）：537－543．［8］蒋培文，贺拴海，宋一凡，等．多车辆－大跨连续梁桥耦合振动响应分析［J］．郑州大学学报：工学版，2011，32（5）：91－95．［9］王新敏．ANSYS工程结构数值分析［M］．北京：人民交通出版社，2007．［10］俞凡，林逸．汽车系统动力学［M］．北京：机械工业出版社，2005．［11］南京汽车研究所．GB/T7031—2005，机械振动道路路面谱测量数据报告［S］．北京：中国标准出版社，2006．［12］曾攀．有限元分析及应用［M］．北京：清华大学出版社，2006．Numerical Analysis of Vehicle-Bridge Coupling Vibrationfor Highway BridgesLIU Shi-zhong1，2，LIU Yong-jian2，CHENG Gao2，WANG Xu2，LI Na2，ZHAO Ming-wei1（1．School of Transportation and Logistics Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China；2．Key Laboratory for Highway Bridge and Tunnel of Shaanxi Province，Chang’an University，Xi’an710064，China）Abstract：The analysis of vehicle－bridge coupling vibration for highway bridges is complicated．A numerical method of analyzing vehicle－bridge coupling vibration is presented based on ANSYS software combining prin-ciple of separation iteration method and theory of vehicle dynamics．The vehicle and bridge models are built separately by using ANSYS，and the displacement coordination relation between the wheel and the bridge sur-face is fulfilled with the help of constrain equation at any time，meanwhile the balance of interaction between vehicle and bridge is automatically satisfied．When single vehicle or several vehicles drived through bridges，coupled dynamic time－history response of bridges is analyzed by APDL programming based on transient dy-namics function of ANSYS，and the computed results are quantitatively compared with those in references．The results show that this method is reliable．Compared with the results in the references，the relative error of dy-namic response of bridges is less5%on smooth deck，while the varying trend of dynamic response of bridges is similar on roughness deck．Iterative computation is not needed in this method at any load step，so compli-cated program design is avoided and analysis efficiency is greatly improved．Key words：bridge engineering；highway bridge；numerical analysis；vehicle－bridge coupling vibration；dy-namic response；finite element method；constrain equation。
公路桥梁车桥耦合振动的简化算法研究
ｓ ｉ ｎ （ ２ Ｊ ｒ ｉ ｆ ｐ ｔ 一够）
（ １ ）
其 中， 是平均行人重力， 单位为Ｎ； 是地 ｉ 阶简谐动荷载系数 ， 简称
Ｄ Ｌ Ｆ ； ｆ ｐ 是行人的步频， 单位Ｈ ｚ ； ， 是第ｉ 阶动荷载的初相位值。
以上傅 里叶 函数 的阶数屿 计算所 要求的精度 有关 ， 最简 单的取法便 是仅取
１引言 汽车 经过 公路 桥梁 时 ， 由于车 辆 自身 的振动 与 桥梁 的振 动 相互耦 合 的原
式【 为
因， 车辆对 桥梁 的作用力 在位置 不断变 化 的同时 ， 大小 也在发 生着变 化 。 车辆对 桥梁 的作 用 力主 要包 含车 辆 的重 力作 用 、 车 辆振 动 的惯性 力 作用 和 阻尼 力作 用， 这些 组成 部分 中 ， 除重力 是 不变 的 以外 ， 惯 性力 、 弹性力 和 阻尼力 都是 和车 辆 的动力 响 应相 关 的。 因此 ， 一 般 采用 分离迭 代 法 或者模 态 综合 法… 来 考虑 车 辆和桥 梁的耦 合振动 但是， 这 种计 算需要 编制 专门的计 算程 序 ， 而且 目前没有 出现 受大 家普 遍认 可 公路桥 梁 车桥耦 合 振动计 算 软件 。 对 于设 计方 案 比较阶段 ， 或者 已有桥 梁动力 性能 改造 时 ， 需要对 桥 梁的车 致振 动进 行计 算 以便 于 不同方 案 的比选 ， 因此 ， 如果 对车 辆荷 载进行 一 定的简
除这 部分 质量 。
图２简支 梁 跨 中位 移 响应 比较 图
几秒钟再 停止 灌砂 ， 如果提 前结束 灌砂 ， 势必 导致灌 人 的标 准砂质 量偏少 ， 从 而
导致 测得 的压 实值 偏大 。 （ ７ ） 含 水量 的选取 ： 在选 取含水 量 时 ， 应 将试 坑 内的土壤 迅速 均匀搅 拌 ， 然 后再取 含 水量 。
公路桥梁车桥耦合振动研究
公路桥梁车桥耦合振动研究【摘要】近年来，我国路桥工程建设为交通行驶创造了优越的环境，推动了地区之间的经济文化交流，促进了国民经济收入水平的提高。
与发达国家相比，国内路桥施工技术相对落后，对动力学理论研究不足误导了后期作业秩序，限制了路桥结构性能的充分发挥。
“车桥耦合振动”现象是路桥交通的常见现象，若控制不当则会影响路桥的使用寿命及运行状态。
针对这一点，本文分析了影响车桥耦合振动的相关因素，并通过计算机建立自动分析平台，为路桥交通的正常运行提供了帮助。
【关键词】路桥；耦合振动；成因；处理对策耦合振动是动力学理论中研究的重点，对不同物体在不同状态下的受力情况进行了详细地分析。
车桥耦合振动是由于车辆与路桥结构之间产生相互的力作用，两种受力荷载大小相同时易产生车桥耦合振动现象，约束了路桥结构性能的正常发挥，不利于交通行驶的安全运行。
工程单位在维护路桥工程阶段，应加强车桥耦合振动的分析，结合具体原因制定有效的控制对策。
一、车桥耦合振动研究的现状从本质上看，车桥耦合振动是一种相互性的力学作用，力学作用控制不当会限制路桥性能的发挥。
车辆过桥时会引起桥梁的振动，桥梁的振动反过来也会影响车辆的振动，即形成车桥耦合振动问题。
当前，我国公路交通运输的全面提速，为了有效的对既有桥梁运营状态进行评估，以及对新建、改建桥梁进行优化设计，均需对车辆过桥时的车桥耦合振动问题进行分析[1]。
随着公路交通事业的迅速发展，车辆与桥梁结构的动力相互作用越来越受到重视。
车辆和桥梁间力学作用形式多样，会呈现出不同的动力特点，如：车辆的动力特性，车型、阻尼、自振频率等；桥梁结构的动力特性，质量与刚度分布、桥跨结构形式、材料阻尼等；桥头引道和桥面的平整状态、伸缩缝装置及桥头沉陷的状况。
而计算机仿真模拟是目前最方便、最快捷、最经济的计算分析方法。
二、计算机力学模型研究的优点从长远角度考虑，选择一种通用性强、应用性广、开发前景广阔的研究模式，分析车桥耦合振动响应具有多方面的意义。
公路桥梁在移动汽车荷载作用下耦合振动简述
四川建筑 第27卷4期 2007108公路桥梁在移动汽车荷载作用下耦合振动简述张 洁,李小珍,卢绪庆,张黎明(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031) 【摘 要】 近年来,随着交通事业和桥梁结构的发展,桥梁的动力响应越来越多的制约着桥梁的安全和使用,因此关于公路桥梁在移动汽车荷载作用下的研究受到桥梁工程师的广泛关注。
文中就车辆模型、桥梁模型归纳了这一方向的主要研究成果。
【关键词】 车桥耦合振动; 有限元方法; 车辆模型 【中图分类号】 U441+13 【文献标识码】 A 汽车以一定的速度过桥时,由于受桥面的不平整、车辆自身各旋转部分的作用、桥头引道与桥面凹凸等因素的影响,会引起车身的振动,并通过轮胎的传递从而引起桥跨结构的随机振动。
随着交通事业的发展,一方面桥梁结构向着大跨、轻型和细长化发展;另一方面通过桥梁的汽车车辆的轴重增重、交通量增大、车辆速度提高。
以上两方面的变化,使得如何准确确定移动车辆荷载下公路桥梁的动力响应,日益受到工程师们的重视。
本文就车辆模型、桥梁模型归纳了这一方向的主要研究成果,以进一步探讨公路桥梁在汽车荷载下车桥耦合振动的现象和机理。
1 车辆和桥梁模型 随着电子计算机和有限元方法的问世,现代车桥振动理论以考虑更接近真实的车辆模型和将桥梁理想化为多质量的有限元和有线条模型为主要特点。
111 车辆模型从桥梁和车辆相互作用的动力分析来看,可将汽车视为由刚性底盘(车身)、车轮和轮胎、以及各种线形和非线性支悬装置所组成。
现代车辆模型主要可以分为整车模型(包括车身上下跳动、俯仰、侧倾和四个车轮垂向运动7个自由度)、半车模型和四分之一模型。
图1 3轴带拖挂汽车模型在文献[1]中作者基于车辆的特性是影响桥梁动力响应图2 2轴带单车模型的主要因素这一点,建立了两种具有代表性的车辆模型(如图1,图2),并应用D ’A la mbert 原理推导得到车辆的运动方程。
图1中,机车和拖车各有竖向跳动、侧倾和俯仰3个自由度,3个轮轴每个轮轴有竖向跳动和侧倾两个自由度,整个车辆有12个自由度。
双工字钢-混组合连续梁桥车桥耦合振动响应分析及振动控制研究
双工字钢-混组合连续梁桥车桥耦合振动响应分析及振动控制研究双工字钢-混组合连续梁桥车桥耦合振动响应分析及振动控制研究摘要：近年来，随着交通运输的快速发展，桥梁工程在国家经济和社会发展中扮演着至关重要的角色。
然而，桥梁结构的振动问题一直是一个关注焦点，尤其是在高速公路上。
本文以双工字钢-混组合连续梁桥为研究对象，对车桥耦合振动响应进行了分析，并提出了振动控制措施。
1. 引言双工字钢-混组合连续梁桥结构具有质量轻、刚度高、易于施工等优点。
然而，在实际使用过程中，由于车辆荷载等因素，桥梁结构会出现振动现象，对桥梁的安全性和舒适性产生不良影响。
因此，对车桥耦合振动响应进行研究具有重要意义。
2. 振动响应分析通过对双工字钢-混组合连续梁桥的结构参数和车辆荷载进行建模，利用有限元方法进行力学分析和模态分析。
根据模态分析结果，得到桥梁的自振频率和振型，并结合模态超级小车模型，对车桥耦合振动响应进行分析。
3. 振动控制措施为减小车辆行驶过程中对桥梁结构的振动影响，需采取相应的振动控制措施。
本文提出以下几种振动控制方法：- 软化整体结构刚度：通过增加桥梁的柔性支座和增设支撑，降低整体结构刚度，以减小振动幅值。
- 耦合阻尼器：在桥梁结构中设置阻尼器，通过阻尼器的能量吸收作用，达到减小振动幅值的效果。
- 主动控制：采用激励反馈控制或模态控制方法，通过控制桥梁的激励量或调整结构模态，减小振动幅值。
4. 结果与讨论通过对不同振动控制措施进行仿真和实验，得出以下结论：- 软化整体结构刚度对振动幅值的改善效果较明显，但其受限于桥梁原始结构，在一定范围内。
- 耦合阻尼器能够有效减小桥梁振动幅值，但设计和施工难度较大，成本较高。
- 主动控制方法在一定程度上能够实现振动控制，但需要复杂的控制系统和实时监测数据。
5. 研究意义和展望本研究对双工字钢-混组合连续梁桥车桥耦合振动响应进行了详细分析，并提出了几种振动控制方法。
这对桥梁结构的设计和控制具有一定的参考价值。
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公路桥梁车桥耦合振动研究
【摘要】近年来，我国路桥工程建设为交通行驶创造了优越的环境，推动了地区之间的经济文化交流，促进了国民经济收入水平的提高。
与发达国家相比，国内路桥施工技术相对落后，对动力学理论研究不足误导了后期作业秩序，限制了路桥结构性能的充分发挥。
“车桥耦合振动”现象是路桥交通的常见现象，若控制不当则会影响路桥的使用寿命及运行状态。
针对这一点，本文分析了影响车桥耦合振动的相关因素，并通过计算机建立自动分析平台，为路桥交通的正常运行提供了帮助。
【关键词】路桥；耦合振动；成因；处理对策
耦合振动是动力学理论中研究的重点，对不同物体在不同状态下的受力情况进行了详细地分析。
车桥耦合振动是由于车辆与路桥结构之间产生相互的力作用，两种受力荷载大小相同时易产生车桥耦合振动现象，约束了路桥结构性能的正常发挥，不利于交通行驶的安全运行。
工程单位在维护路桥工程阶段，应加强车桥耦合振动的分析，结合具体原因制定有效的控制对策。
一、车桥耦合振动研究的现状
从本质上看，车桥耦合振动是一种相互性的力学作用，力学作用控制不当会限制路桥性能的发挥。
车辆过桥时会引起桥梁的振动，桥梁的振动反过来也会影响车辆的振动，即形成车桥耦合振动问题。
当前，我国公路交通运输的全面提速，为了有效的对既有桥梁运营状态进行评估，以及对新建、改建桥梁进行优化设计，均需对车辆过桥时的车桥耦合振动问题进行分析[1]。
随着公路交通事业的迅速发展，车辆与桥梁结构的动力相互作用越来越受到重视。
车辆和桥梁间力学作用形式多样，会呈现出不同的动力特点，如：车辆的动力特性，车型、阻尼、自振频率等；桥梁结构的动力特性，质量与刚度分布、桥跨结构形式、材料阻尼等；桥头引道和桥面的平整状态、伸缩缝装置及桥头沉陷的状况。
而计算机仿真模拟是目前最方便、最快捷、最经济的计算分析方法。
二、计算机力学模型研究的优点
从长远角度考虑，选择一种通用性强、应用性广、开发前景广阔的研究模式，分析车桥耦合振动响应具有多方面的意义。
由于车桥耦合振动属于力学理论研究的范畴，其在分析时必须要结合力学模型，以保证研究结果的准确性。
计算机操作系统在数据处理方面具有明显的优势，通过计算机平台建立力学模型，帮助研究者更加深入地分析耦合振动情况。
数据库是计算机中存储信息的主要区域，为了保证车桥振动时力学数据得到准确地计算，应利用数据挖掘功能进一步分析力学模型，以获得与耦合振动相关的力学参数。
从实际操作情况看，数据挖掘的优越性表现：一是高效性，由于采用了计算机操作平台，调用数据库资源显得更加便捷，数据挖掘有助于数据操作效率的提升；二是时效性，与传统观数据处理模式相比，数据挖掘采用了自动化处理平台，短时间内可完成数据信息的检查审核工作[2]。
数据挖掘具备了这些优势，为其在车桥耦合振动中的运用创造了有利
条件。
三、车桥耦合振动的自动分析流程
建立计算机力学模型之后，还应编制一套符合路桥工程实际情况的自动分析流程。
通过对各个参数值的有效处理，获得自动化分析报告及结果，可指导施工单位对公路桥梁实施科学的改造，防止车桥振动造成结构性能方面的损坏。
但是，车桥耦合振动在分析时要经过复杂的处理过程，如果依旧采用传统的研究方法则无法获得准确的结果。
针对已经建立的力学模型，运用数据挖掘功能设计一套自动分析流程。
1、力学分类。
公路桥梁在交通行驶阶段承受的力学荷载复杂，研究车桥耦合振动必须了解具体的受力情况。
数据挖掘功能可以对车桥耦合振动的情况进一步划分归类，按照力学模型的研究内容分类别处理[3]。
自动化力学分类降低了数据处理的难度，提高了车桥振动受力判断的准确性。
2、振动分析。
振动分析是力学模型研究的核心环节，结合数据挖掘捕捉与耦合振动相关的参数，为受力分析提供可靠的依据。
如：荷载方面，数据挖掘功能对车桥耦合振动中的荷载大小检测，确定车桥的安全系数；幅度方面，深入分析并挖掘耦合振动的幅度大小，计算出路桥结构的承载状态。
3、结果显示。
经过一系列的数据处理流程，数据挖掘功能利用计算机操作平台，可以把公路桥梁耦合振动研究的结果及时反映出来。
如：检查耦合振动后，数据挖掘模块自动生成信息报表，并且及时反馈给研究者。
通常，车桥耦合振动的结果显示有两种，即：数据、图形，可根据具体的要求制定结果报表。
四、影响车桥耦合振动的因素及处理
国内交通事业持续发展背景下，公路桥梁工程的交通价值得到了充分的体现。
另一方面，因国内工程施工技术相对落后，车桥耦合问题未能得到根本性地解决，不利于多功能交通体系的建立。
本次研究中，通过计算机建立自动分析平台，从多个角度反映了车桥耦合振动的具体情况。
并且以力学模型为参照对象，更加准确地判断出影响车桥耦合振动发生的主要原因，工程单位结合振动因素可设计有效的控制方法。
1、荷载因素。
荷载高低决定了耦合振动幅度的大小，车桥耦合振动实际上是受力荷载达到一定程度所产生的结果。
无论是车辆荷载或者路桥荷载，只要有一方荷载偏大则不会发生耦合振动，如：车辆行驶的荷载大于路桥结构的荷载，受力方向向下，抑制了路桥的振动幅度[4]。
但是，当路桥结构的自振频率与车辆的荷载频率处于同一值，两种荷载大小互不抑制，变会产生受力共振现象。
车辆、路桥的荷载越大，受力共振的幅度越大，对建筑结构的破坏力也更大。
处理这一问题，应从桥梁结构设计方面实施改进，设计出质量轻、结构少、性能强的公路桥梁结构，以防荷载浮动产生的耦合振动。
2、路面因素。
路面是公路、桥梁承受荷载的主要部分，大部分受力作用均由路面结构承担。
我国路桥工程建设规范，对路面平整度制定了严格的标准，每一种路面必须达到规定的“平整度”要求，才能正式通车行驶。
由于施工单位在作业期间未对路面平整度综合检测，导致平整度达不到标准，为车桥耦合振动创造了条件。
如：平整度偏差的路面，车辆行驶易产生颠簸，车身持续上下运动便发生振动现象。
为了防止平整度因素造成的破坏，路桥施工期间应制定合理的质量管理方案，对平整度定期检测，严格控制路面的平整性。
3、车速因素。
研究车速大小对车桥耦合振动的影响，重点研究的对象是高速公路行驶，车辆处于高速行驶状态下能清晰地反映振动状态。
根据计算机力学模型分析的结果，车速越大，车桥系统动力荷载越大，耦合振动现象越严重。
这是由于车辆在高速行驶状态下，竖向加速度在短时间内逐渐提高，车身起伏颠簸的幅度越大[5]。
高速行驶引起的耦合振动不仅破坏了路桥的工作性能，减短了其使用寿命，也极易造成交通事故。
因此，驾驶人员合理控制车辆行驶的速度，使横向、纵向荷载得到控制，有效防范了车辆耦合振动的发生。
结论
综上所言，车桥耦合振动是公路桥梁常见的受力状态，其本质上属于非正常的路桥受力，长时间处于车桥振动模式会破坏建筑结构的完整性。
基于计算机的耦合振动模型辅助了研究人员的分析工作，确保车桥振动分析结果的科学性。
工程单位在建设期间，要根据影响耦合振动的具体因素制定受力控制措施。
【参考文献】
[1]冯永云.单车荷载下简支梁桥的动力特性和响应的试验研究[J].安徽交通科技，2011，28（15）：43-46.
[2]贾娜.影响车桥系统耦合振动的因素分析[J].振动与冲击，2011，32（11）：71-72.
[3]梅秋雨.公路桥梁车桥耦合振动的防治处理[J].重庆交通学院院报，2010，19（6）：54-56.
[4]章建平.路桥车辆振动问题及动力荷载的研究[J].桥梁建设，2009，28（16）：8-10.
[5]李忘言.研究公路桥梁结构受力失衡的不利影响[J].中外公路，2011，33（18）：23-25.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。