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钢板组合梁桥因具有构造简单、自重较轻且经济跨径范围大的特点,在我国中小跨径桥梁中有着广阔的应用前景。目前对钢板组合梁桥静力性能的研究已经较为完善,动力性能方面的研究却较少。由于钢板组合梁抗扭性能相对较差,在偏载作用下可能造成更大的动力响应。本文受国家重点研发计划资助项目(2016YFC0701202)的资助,对钢板组合梁桥动力冲击系数进行了分析,主要研究内容及结论如下:
①推导钢板组合梁动力平衡方程及Newmark-β法迭代求解的表达式,采用ANSYS有限元软件建立双轴7自由度汽车模型和四轴27自由度列车模型,给出单元参数设置;采用MATLAB实现路面及轨道不平顺的模拟;基于路面接触法给出车桥耦合振动的模拟仿真全流程。
②根据SMDI通用图标准设计了4座跨度在20~50m的公路简支工字型钢板组合梁桥,研究结构基频、路面不平度、行车速度和行车位置对其动力冲击系数的影响。结果表明:冲击系数随结构基频增加而增大,但增长率随基频增加呈现减小趋势;在基频、速度和行车位置一定的情况下,路面等级越差,桥梁冲击系数越大;冲击系数随车速变化趋势是由车辆和桥梁结构属性共同决定,本文在20km/h和100km/h条件下有较大冲击系数;20m跨径、5.87Hz基频下钢板组合梁桥抗扭转性能较差,汽车偏载条件会造成冲击系数的显著增大;而跨径较大、基频较小时行车位置不是影响冲击系数的主要因素。
③根据拟建的川藏冻土地区铁路桥梁设计图,设计3座跨度在32~48m的无砟轨道钢板组合梁桥,研究结构基频、轨道不平顺、列车速度和列车编组对其动力冲击系数的影响。结果表明:冲击系数随基频增大而增大;轨道不平顺是车桥耦合振动重要激励源,高干扰谱相对于低干扰谱能产生更大的冲击系数;车速与桥梁结构基频满足一定关系会产生共振,大幅增加结构的冲击系数,同时由于共振具有区间性,在共振速度附近冲击系数也会明显偏大;单车编组过桥不会产生共振效应,但其冲击系数大于同等条件下非共振速度区间内多车编组所产生的冲击系数;多车编组过桥,满足vi=3.6fd/i时会产生共振效应,当多车编组列车总长度超过桥梁结构跨度时,产生的冲击系数趋同。
④将拟合得到的公路和铁路钢板组合梁桥冲击系数公式与规范进行对比。结果表明:本文拟合公式均高于中国公路和铁路桥梁规范中冲击系数的取值。一是由于中国规范主要针对箱梁桥进行实测数据的拟合,并不能代表钢板组合梁桥的动力冲击系数;二是由于钢板组合梁桥横向连接刚度及抗扭转性能不及箱梁桥,在偏载条件下会造成动载效应进一步放大。因此建议在中小跨径钢板组合梁桥设计中,适当调高冲击系数取值。
①推导钢板组合梁动力平衡方程及Newmark-β法迭代求解的表达式,采用ANSYS有限元软件建立双轴7自由度汽车模型和四轴27自由度列车模型,给出单元参数设置;采用MATLAB实现路面及轨道不平顺的模拟;基于路面接触法给出车桥耦合振动的模拟仿真全流程。
②根据SMDI通用图标准设计了4座跨度在20~50m的公路简支工字型钢板组合梁桥,研究结构基频、路面不平度、行车速度和行车位置对其动力冲击系数的影响。结果表明:冲击系数随结构基频增加而增大,但增长率随基频增加呈现减小趋势;在基频、速度和行车位置一定的情况下,路面等级越差,桥梁冲击系数越大;冲击系数随车速变化趋势是由车辆和桥梁结构属性共同决定,本文在20km/h和100km/h条件下有较大冲击系数;20m跨径、5.87Hz基频下钢板组合梁桥抗扭转性能较差,汽车偏载条件会造成冲击系数的显著增大;而跨径较大、基频较小时行车位置不是影响冲击系数的主要因素。
③根据拟建的川藏冻土地区铁路桥梁设计图,设计3座跨度在32~48m的无砟轨道钢板组合梁桥,研究结构基频、轨道不平顺、列车速度和列车编组对其动力冲击系数的影响。结果表明:冲击系数随基频增大而增大;轨道不平顺是车桥耦合振动重要激励源,高干扰谱相对于低干扰谱能产生更大的冲击系数;车速与桥梁结构基频满足一定关系会产生共振,大幅增加结构的冲击系数,同时由于共振具有区间性,在共振速度附近冲击系数也会明显偏大;单车编组过桥不会产生共振效应,但其冲击系数大于同等条件下非共振速度区间内多车编组所产生的冲击系数;多车编组过桥,满足vi=3.6fd/i时会产生共振效应,当多车编组列车总长度超过桥梁结构跨度时,产生的冲击系数趋同。
④将拟合得到的公路和铁路钢板组合梁桥冲击系数公式与规范进行对比。结果表明:本文拟合公式均高于中国公路和铁路桥梁规范中冲击系数的取值。一是由于中国规范主要针对箱梁桥进行实测数据的拟合,并不能代表钢板组合梁桥的动力冲击系数;二是由于钢板组合梁桥横向连接刚度及抗扭转性能不及箱梁桥,在偏载条件下会造成动载效应进一步放大。因此建议在中小跨径钢板组合梁桥设计中,适当调高冲击系数取值。