第13卷第1期 长沙理工大学学报I自然科学版) Vo1.13 No.1 2016年3月 Journal of Changsha University of Science and Technology(Natural Science) Mar.2016 文章编号:1672—9331【2016)01—0049—07 车桥耦合系统的非线性动力响应分析 谭子翼,唐雪松,盛国刚 (长沙理工大学土木与建筑学院,湖南长沙410004) 摘要:考虑桥面的不平整度和桥梁结构的几何非线性效应,根据达朗贝尔原理,建立了车桥耦合的动力学 模型。利用模态分析的方法,得到了耦合系统关于广义坐标的非线性动力学方程。通过龙格一库塔法和 Visual Fortran语言编程对方程进行求解,获得了梁桥在移动车辆系统作用下的动力响应曲线及冲击系数曲 线,并计算了系统参数变化对桥梁结构非线性动力效应的影响。研究结果显示,桥的跨径、弯曲刚度、车辆速 度和不平整度系数等参数发生变化时,非线性对桥梁动力特性的影响程度也将发生变化。 关键词:梁桥;移动荷载系统;非线性;动力响应 中图分类号:U441.2 文献标识码:A Analysis of the nonlinear dynamic behavior of the bridge under moving load system TAN Zi—yi,TANG Xue—song,SHENG Guo—gang (School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004,China) Abstract:Considering the surface irregularities of the bridge and nonlinear influence,ac— cording to D'Alembert's principle,the basic dynamic equations of vehicle—bridge interaction system are formulated.With the application of modal analysis method,the nonlinear dy— namic equations are deduced using generalized coordinates.By Runge—Kutta methods and Visual Fortran program,the displacement response curves of the beam bridge and the curves of impact effect are obtained.The nonlinear dynamic influence on beam bridges is calculated considering the change of system parameters.According to the results,the non— linear influence on beam bridges is changed with the change of parameters,including span, flexural stiffness,velocity of vehicle and surface roughness. Key words:beam bridge;moving load system;nonlinear;dynamic response 桥梁在移动荷载作用下的动力响应问题及机 桥梁的振动反过来导致车辆自身的振动,它们相 理,长期以来一直是结构动力学研究的前沿课题。 互作用构成了一个车桥耦合振动系统。目前,对 当车辆高速行驶通过桥梁时,由于车辆的发动机 于车桥耦合振动的动力分析及设计大多基于线性 振动及路面的不平整,引起了桥梁的受迫振动,而 简单梁理论 ,未考虑非线性对其的影响。而事 收稿日期:2015一II--04 基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(11JJ3O13) 作者简介:谭子翼(1991一),男,湖南长沙人,长沙理工大学硕士研究生,主要从事车桥耦合振动方面的研究。 5O 长沙理工大学学报(自然科学版) 2016年3月 实上,对于大跨度轻柔结构桥梁需要考虑其本身 的大变形因素,如果仍采用以前的线性理论分析 车桥耦合振动问题,有时候得出的结果与工程实 际相差甚远,所以非线性影响不能忽略不计。 在车桥耦合振动系统中,考虑非线性的影响 是近年来一项前沿研究方向,目前对其研究相对 有限,但已有部分学者对其进行了探讨。如:沈火 明[8 考虑几何非线性对高桥墩桥梁动力行为的影 响,导出了高墩桥梁的非线性振动方程,讨论了几 何非线性对高墩桥梁在主梁架梁前后的动力行为 影响;肖勇刚和朱素红[g]选用移动质量模型,利用 Hamilton能量变分原理,考虑了桥梁的几何非线 性,建立了车桥耦合系统的振动微分方程,应用伽 辽金法和龙格一库塔法对方程进行求解,分析了 几何非线性对桥梁跨中位移的影响;罗松南[1叼考 虑了预应力简支T梁的几何非线性以及剪切变 形,建立梁的振动微分方程,运用增量谐波平衡 法,分析计算梁在预应力作用下的横向振动问题, 计算结果表明,梁非线性位移明显大于线性位移, 非线性因素应在桥梁设计中予以考虑;国外学者 Simsek和Kocaturk_1 将简支梁看成Euler-Ber— noulli梁模型,考虑几何非线性影响,推导出了简 支梁振动微分方程,通过Newmark一 进行方程求 解,得出了结构阻尼及预应力等因素对简支梁的 非线性振动特性的影响。上述研究主要针对移动 力模型或简单的移动质量一弹簧一阻尼模型作用 下的梁桥非线性动力分析,其分析模型有待进一 步完善。 作者在上述研究的基础上,基于变量分离法, 考虑梁的几何非线性和桥面不平整度[12,13]影响, 根据达朗贝尔原理,建立了梁桥和四自由度车辆 模型耦合的非线性振动方程,运用龙格一库塔法, 通过Visual Fortran语言编程对方程进行求解。 以连续梁桥为研究背景,根据线性和非线性模型, 给出不同参数情况下连续梁桥的位移响应和冲击 系数的比较结果,并得到参数变化时梁桥的非线 性动力响应规律。 1 车一桥耦合振动微分方程 图1所示为车一桥系统模型。 图1车一桥耦合振动系统模型 Fig.1 The model of vehicle-bridge coupled vibration system 在模拟车辆系统时,将其处理为四自由度模 型,考虑车体的垂直位移、车体的纵向转动和前、 后轮的垂直位移。其中,车身的质量用m 表示; 轮胎的质量用m z表示; 为车体对质心的转动惯 量; ,z。表示车轮中心在梁上的位置;k ,k 表 示车身的刚度和车轮的刚度;C ,C 表示车身的阻 尼和车轮的阻尼;e ,e z表示车轮前、后轴到车辆 重心处的距离;f。,f。表示车辆对桥梁的作用力; 1,乱2,0, 3为广义坐标;2 2一 2一( l+0e1), z。一 。一(“ 一0e:)。运用达朗贝尔原理得到车 辆系统的动力学方程为: m1 1一k1z 2一c1芝2一k1 3一cl芝3+m1g一0。 (1) I1Off"+k1e 2 3+C1e 2童3一k1e1z 2一c1e1童2=0。 (2) m 2 2+k1 2+C1芝2一f1+ 2g一0。 (3) m 2 3+k1z 3+C1 3一f 2+ 2g一0。 (4) 在模拟桥梁模型时,将梁看作欧拉伯努利梁 进行处理,将截面视作矩形等截面(如图2所示), 考虑预应力及几何非线性影响,忽略剪切刚度和 扭转刚度。 图2梁单元模型 Fig.2 The model of beam element 第13卷第1期 谭子翼,等:车桥耦合系统的非线性动力响应分析 51 设梁的两端作用常值轴向压力P(预应力,包 含在轴向力F 中),由达朗贝尔原理得梁的动力 学平衡方程为: -pAdz 一一(F 十 8F,d寸卜 [ + d十 FN 1一f(x,t)dx。 (5) 式中:p表示材料密度;A表示截面面积;砌( ,t) 为沿截面单元的竖向位移;F 代表截面上作用的 剪力; 为截面处的角位移, 一 。 若仅考虑梁位移的几何线性关系,有 “一~“一 一 筹 一 碧。d 37 ,ez一一 。 dZ o ㈤5考虑梁位移与应变的几何非线性关系,则有 a2w。 + 1( 8w) e =-一 a-一__z 22十 。。。 a(7)【 ) z对式(7)求导: (8) 式中: 一 。 由应力与应变的本构关系,有 d 一E(£ + )。 (9) 式中:E为材料的弹性模量;叩为材料阻尼。 将式(7),(8)代人式(9)得: 一E[-_ 等+ 1(aw..1。+ ·(~ 等+筹·筹)] 由应力与弯矩的关系,有 r要 M—b l_ n 一 zdz。 (11) 式中:6为截面宽度; 为截面高度。 将式(10)代入式(11)得: M—E工等一正 等。c, (12) 由弯矩与剪力的微分关系,有 F 一一EI 一 。 (13) 由梁的正应力与轴向力的关系,有 ^ FN 6 T a=dz。 (14) 将式(10)代人式(14),并考虑预应力的影响, 有 F 一EA· 1 /。+ az,qEA(3 ̄x· 7 x 1一P。 (15) 式中:EA表示梁的抗拉刚度。 将式(13),(15)代人式(5),导出的梁的非线 性弯曲振动方程为: m 8tz +E 磐3x+ J4 。 , 3x— 4 P + (筹) · 3x 2+ 2 (筹·罢·a_ 2 ̄w)+ [(筹)。·筹] x,t 。 式中: 表示梁的单位长度质量;EI表示梁的抗 弯刚度。 对式(16)中,(z,t)求解,考虑车辆的二维模 型,可得: ,(z,t)一一f1a(x— 1)一f 2 (z—z z)。 (17) 式中:, ,, 为车辆前、后轮对桥梁的作用力; 函 数定义为: (z—z^)一 fo,z≠z女 ;忌=1,2。 【1,z— 考虑桥面不平整度,作用力表达式为: f1一k 2(硼1一r1一“2)+c 2(西l一 1一 2)。 (18) f2一k 2(硼2一r 2一 3)+c 2(西2—7=2一 3)。 (19) 式中:W ,W。为车辆前、后轮所在位置桥梁的竖向 振动位移;r。,r 为车辆前、后轮所在位置桥面铺 装的不平整度函数值m]。 利用变量分离法[14,15],有 w(x, )一∑ (z)g ( )。 (2o) 第13卷第1期 谭子翼,等:车桥耦合系统的非线性动力响应分析 53 采用Visual Fortran语言编制龙格一库塔算 法程序进行运动方程(21)求解。 2数值计算 在实例计算中采用三跨等截面连续梁桥模 型,其中,式(2O)的模态函数根据连续梁自由振动 的三弯矩方程 ¨ 求得,模态截断阶数 一2。车桥 耦合系统的具体参数为: m:=:1.2×10 kg/m,ml一3.6×lO kg, 2—2×10。kg, 1—1.44×10 kgm , e1一e 2—2.4 m,k1—9.0×10。N/m, k 2—3.6×10 N/m,C1一c z=7.2×10 kg/s, P一1 000 kN。 根据线性和非线性计算模型,图3给出了不 同跨径情况下梁的动挠度曲线对比结果。 O 0 羹 。 帽一0 -0 0 2O 40 60 8O l00 纵桥向坐标/m (a)L=100m 一O 20 40 6O 80 100 l20 l40 纵桥向坐标,m fb)L=130m 0.020 0.015 0.010 囊…恚0.0.0005 05 一-0.010 -0.015 —0.020 0 20 40 60 80 100 120 140 160 纵桥向坐标/m (c)L=I60m E,_1.275x10 Nm .V=60 m/s 图3 不同跨径情况下梁的动挠度曲线对比结果 Fig.3 Curves of dynamic deflection under different spans 计算结果表明,随着跨径的增大,模型的非线 性影响越来越明显。因此在进行桥梁动力设计 时,必须根据跨径的大小合理选择线性和非线性 动力学计算模型。 图4表示不同弯曲刚度情况下梁的第一跨跨 中动力响应结果(V一5O m/s,L一120 m)。动力 响应分为两个阶段:第一阶段为车辆系统在桥上 时梁的非线性受迫振动( ≤2.4 s);第二阶段为车 辆系统离开桥后梁的非线性自由振动(£≥ 2.4 S) 0.04 O.O3 盍0.02 0.01 稃0.00 垂一0.01 一O.02 一O.O3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 时间/s (a)El=1.5x10 。Nm O.o4 0.03 O.02 羹显 m.01 一0.O1 留 一0.02 -0.03 -0.04 0 2 4 6 8 lO l2 14 16 时间,s (b)EI=I.4x10 。Nm O.06 0.o4 { 0.o2 慧o.00 导 一0.02 留 一O.04 一O.06 O 2 4 6 8 lO 12 14 l6 时间/s 图4 不同弯曲刚度情况下跨中(第一跨) 动力响应对比结果 Fig.4 Results of dynamic response of mid—span under different flexural stiffness 计算结果表明,当梁的弯曲刚度较大时(见图 4(a)),线性和非线性结果差异很小,并且车辆系 统离开桥后梁的自由振动的衰减速度也很快。 为了研究移动车辆系统对桥梁的冲击影响, 根据公路桥梁设计规范定义冲击系数为: 54 长沙理工大学学报(自然科学版) Y dmax 一一一1o .一。(22)/ 方程,考虑了桥梁结构的几何非线性和桥面的不 。 Y smax 平整度,得到了移动车辆系统作用下桥梁的非线 式中:Y 为动荷载作用下梁的最大动挠度,由式 性动力响应分析结果,其主要结论如下。 1)随着跨度的增加,桥梁的非线性动力效应 明显增大,因此当跨度增加到一定程度时,非线性 效应不可忽略。 (2O)和式(21)计算得到;Y… 为梁的最大静挠度, 根据超静定结构位移的计算方法求得。 图5获得了车辆速度变化时冲击系数的变化 规律。在共振速度附近,线性和非线性模型冲击 系数的结果差别较大,远离共振速度(V一60 m/s) 2)随着桥的弯曲刚度减小,动挠度增大,非线 性动力效应也将增大。而且当车辆行驶离开桥面 时结果差别较小。 O·5 O.4 鞲0.3 量O.2 0.1 0 川40 60 U lUU 车辆速度/(m·S一-) El=1.275x10 Nm2,L=120 m 图5 移动速度变化时冲击系数的变化曲线 Fig.5 Curves of impact effect under the different velocities 图6得到了不平整度系数 变化时冲击系数 的变化规律。随着不平整度系数逐渐增大,冲击 系数也逐渐增大;并且随着跨径的增大,冲击系数 呈现递减的规律。这一结果和桥梁冲击系数的经 验公式是一致的。通过计算也发现,当梁的弯曲 刚度较小时,不平整度系数的变化对冲击系数的 结果影响很小。 0.40 O-35 籁0.30 0.25 是0.20 O.15 0.10 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 不平整度系数 E,_1.275x10”Nm2.V=40 ntis 图6 不平整度系数变化时冲击系数的变化曲线 Fig.6 Curves of impact effect under the different surface irregularities 3 结论 作者建立了移动车辆和桥梁结构的耦合振动 后,桥本身的自由振动衰减速度随着弯曲刚度减 小而减慢。 3)随着移动系统速度的增大,冲击系数也会 随之增大。当考虑了非线性因素时,冲击系数的 增加更为明显;达到共振速度后,冲击系数会出现 下降的趋势。 4)不平整度系数的增大会导致冲击系数的增 大,但其增大幅度不大,而桥的跨径对冲击系数的 影响更为明显。 (参考文献] [1] 蒋培文.公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动研究 ED].西安:长安大学,2012. 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