车流作用下大跨度拱桥车桥耦合振动分析

摘要

为更好开展大跨度钢管混凝土拱桥的设计与施工,提高司乘人员的舒适性,开展多车辆交通流工况下基于桥面不平顺的车桥耦合振动响应研究。以三轴货车和茅草街钢管混凝土拱桥为背景,通过有限元法建立桥梁的三维结构分析模型,基于动力平衡原理建立车辆的9自由度多刚体动力学模型。运用MATLAB模拟桥面不平顺,以车轮与桥梁接触面为界,利用车、桥2个子系统的位移协调条件及力的协调条件,用Newmark-β法求解车桥系统的振动微分方程。基于有限元分析软件ANSYS编制APDL迭代求解命令流,编写基于车桥耦合理论的车桥耦合振动分析程序。在车速、车重和车距等因素保持不变的情况下,计算多车辆交通流作用下路面不平顺对桥梁跨中节点、跨中截面、主拱拱顶及主拱1/4处等关键部位动力响应的影响,计算路面不平顺对车辆动力响应的影响。研究结果表明:当路面不平顺度增加时,桥梁跨中节点竖向振动位移峰值、加速度峰值呈非线性增长,桥梁跨中截面振动弯矩、正应力和剪应力峰值呈非线性增长;主拱拱顶及主拱1/4处的轴力、正应力及剪应力峰值呈非线性增长;桥梁的结构响应均在容许范围内。车辆竖向、侧倾和俯仰等3个自由度对应的位移峰值、加速度峰值均逐渐增大。研究结果可为以后开展大跨度拱桥结构设计、施工与维护工作提供有益借鉴。