车桥耦合振动分析的数值方法

第18卷　第3期 重　庆　交　通　学　院　学　报1999年9月Vol.18　No.3 JOURNAL OF CHONG QINGJ IAOTONG INSTITUTE Sep.1999

文章编号:10012716(1999)0320014207

车桥耦合振动分析的数值方法Ξ

单德山,李　乔

(西南交通大学土木工程学院桥梁及结构工程系,四川成都610031)

摘要:车桥耦合振动问题是铁路和公路桥梁中十分重要的研究课题,而目前所采用的数值算法所需的时间比较长,为了减少计算机时,本文在对高速铁路曲线梁车2桥耦合振动研究中,建立了一种基于激励非线性振动的数值计算方法,并完成了计算程序BSNDS的编制,取得了较好的计算结果.并将其与其他模型进行比较,在保证精度的前提下,较大地节省了计算时间.

关　键　词:结构工程;耦合振动;数值方法

中图分类号:U443234 文献标识码:A

对于车桥耦合振动分析这一类复杂问题,常用的算法有两种:时间序列的逐步积分法和频响函数法.时间序列的逐步积分法是将车辆和桥梁看作一个大的振动系统,建立该系统的运动微分方程并用直接积分法求解,得到各自由度上的位移、速度和加速度的时程[1];频响函数法是基于随机振动的一种方法,该方法首先计算出车桥耦合系统的频响函数,用激励力的功率谱作为输入,求得系统在频域的响应[2].本文所介绍的方法是基于激励非线性振动的一种逐步积分法,在计算中应用了求解非线性振动的Newmark预测2校正法[9],即在每一时段里预测桥梁的位移、速度、加速度和车桥系统的耦合力,此时车桥系统的位移条件是协调的,以此作为迭代的开始进行计算,从而减少了迭代次数,进而减少了计算机时.

车桥耦合振动分析的困难在于寻找一种能处理车桥运动耦合的方法.在接触点处采用常规的运动方程的形式来描述车2桥系统的耦合振动

W+KW=f cp(1)

W+C

M¨

式中,桥的特性由M(质量阵)、C(阻尼阵)、K(刚度阵)和W(位移)来描述.位移函数W是在t时刻接触点的位移;

W、¨

W分别表示其速度和加速度;点号(・)表示对时间求导;式(1)中f cp表示车桥间的耦合力,它可以看成是由桥上移动的车辆所施加的力.f cp是车辆运动的函数,它还与桥梁的振动和路线的不平顺有关,这种相互关联的运动称为车2桥系统的运动耦合.当t时刻有两个或更多的车辆在桥上时,耦合力f cp还与桥上其它车辆有关.车与车之间的耦合通过桥

Ξ收稿日期:1998211220

基金项目:铁道部科技开发研究项目97G07

作者简介:单德山(1969-),男,四川大竹县人,西南交通大学讲师(博士),从事的研究是结构的空间行为.

梁的运动而包含在耦合力f cp 中,这样就可考虑同时通过桥梁的所有车辆的影响.然而在每一时间步里,f cp 事先并不知道,且是与未知量W 及其导数、车的特性等有关的函数.显然,考虑运动耦合时,耦合力f cp 是非线性的,式(1)为非线性运动方程,因而系统的响应也为非线性.如果忽略耦合运动,f cp 仅是一与时间有关的荷载,此时该问题简化为移动荷载作用下的振动问题.1　系统运动微分方程的离散

桥梁结构承受动荷载的微分方程为:

M ¨D +C D +KD =F (2)

式中,M 、C 、K 分别为桥梁的质量、阻尼和刚度矩阵;D =D (t )为离散系统的结点位移向量; D 和¨D 分别为结点的速度和加速度向量;F 为作用在结构上的力矢量,它是时间t 的函数,F 主要由耦合力、车的重量和桥的重量等组成.

桥梁单元的质量和刚度矩阵是根据考虑剪切变形的空间直梁和考虑翘曲的曲线梁而推导出来

的[3]、[6].空间直线梁单元由6个自由度组成,即由3个线位移和3个角位移组成;空间曲线梁单元由7个自由度组成,即由3个线位移、3个角位移和截面翘曲位移组成.根据有限元法,将桥梁单元的有限单元矩阵和车桥耦合力的等效节点力组装起来就可得到公式(2)的离散矩阵方程.如果单元的局部坐标与总体坐标方向不一致,应进行坐标变换.在车桥耦合振动中,还应考虑系统阻尼的影响;对于桥梁单元仍采用Raleigh 阻尼,车辆的阻尼由其阻尼元件提供.

2　车桥耦合振动求解的数值算法

为了能够求解方程(2),应在方程(2)中引入边界条件(包括位移边界条件和力的边界条件).

此时满足方程(2)的位移矢量D =D (t )即为方程的解.给定的初始条件为:D (0)=u 0;

D (0)= u 0;u 0和 u 0分别为在t =0时刻位移和速度的初始值.

211　系统方程的时间离散

根据Newmark 法的要求,方程(2)尚需对时间进行离散.实际上时间离散仅是一个代数问题.

为了反映控制微分方程的这个特征,在以后的描述中桥梁的位移D (t )、速度 D (t )、加速度¨

D (t )分别用D n 、V n 、A n 来表示;t n 为第n 时段(1≤n ≤N );N 为时间段离散的数目.同样d n 、v n 、a n 分别表示t n 时段车辆的位移、速度、加速度,即d n =d (t n );v n =d (t n );a n =¨d (t n ).

当求解下一时段时,即n +1时段车桥运动方程按如下表示:

MA n+1+CV n+1+KD n+1=F n+1(3)

式中,D n +1、V n +1、A n +1为t =t n +1时桥梁的位移、速度、加速度;F n +1=F cp n +1+F sp n +1,F sp n +1

包括了桥的恒载及规范所规定作用的荷载.F cp n +1为车2桥间的耦合力,对于一维的运动质量(图1),t n +1时刻的耦合力为:

F cp n+1=k 1(d cp -d r 1)n+1+c 1(v cp -v r 1)n+1(4)

式中,d cp 、v cp 为接触点的位移和速度;v r 1、d r 1为车辆簧下质量ml 的位移和速度;k 1、c 1为车轮的弹簧刚度和阻尼(图1).由于车在接触点的d cp 、v cp 、a cp 是与桥梁的运动有关的,那么矢量

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