第一章 公路桥梁车辆荷载谱、路面谱分类标准研究

西 部 交 通 建 设 科 技 项 目 交 通 编 号 : 合 同 号 :2008 318 812 32 单 位 编 号 : 密 级 : 分 类 号 : 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 及 其 影 响 分 析 研 究 研 究 报 告 简 本 长 安 大 学 陕 西 省 交 通 建 设 集 团 公 司 浙 江 工 业 大 学 二 零 一 二 年 三 月

项 目 名 称 报 告 名 称 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 及 其 影 响 分 析 研 究 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 及 其 影 响 分 析 研 究 交 通 编 号 项 目 来 源 西 部 交 通 建 设 科 技 项 目 单 位 编 号 合 同 号 2008 318 812 32 分 类 号 项 目 起 始 年 限 2008.10-2011.12 第 一 完 成 单 位 长 安 大 学 密 级 报 告 负 责 人 宋 一 凡 报 告 主 要 撰 写 人 宋 一 凡 周 勇 军 蒋 培 文 单 位 姓 名 职 称 专 业 宋 一 凡 教 授 桥 梁 工 程 贺 拴 海 教 授 桥 梁 工 程 周 勇 军 副 教 授 桥 梁 工 程 赵 小 星 副 教 授 桥 梁 工 程 蒋 培 文 博 士 桥 梁 工 程 项 目 主 要 参 加 人 长 安 大 学 陕 西 省 交 通 建 设 集 团 公 司 浙 江 工 业 大 学 主 题 词 关 键 词 赵 煜 副 教 授 桥 梁 工 程 任 伟 副 教 授 桥 梁 工 程 韩 万 水 副 教 授 桥 梁 工 程 刘 龄 嘉 教 授 桥 梁 工 程 桂 学 博 士 生 桥 梁 工 程 史 奇 彬 工 程 师 桥 梁 工 程 衡 珍 奇 工 程 师 桥 梁 工 程 杨 育 生 教 授 级 高 工 公 路 工 程 管 理 梁 俊 海 教 授 级 高 工 桥 梁 与 隧 道 工 程 刘 海 鹏 高 级 工 程 师 桥 梁 与 隧 道 工 程 任 金 龙 高 级 工 程 师 桥 梁 与 隧 道 工 程 申 来 明 高 级 工 程 师 桥 梁 与 隧 道 工 程 高 香 龙 工 程 师 桥 梁 与 隧 道 工 程 施 颖 教 授 级 高 工 桥 梁 与 隧 道 工 程 张 新 军 教 授 桥 梁 与 隧 道 工 程 高 墩 大 跨 混 凝 土 梁 桥 评 价 体 系 系 统 研 发 高 墩 大 跨 混 凝 土 梁 桥 车 桥 耦 合 桥 面 谱 等 代 荷 载 冲 击 系 数 计 算 舒 适 度 评 价 安 全 性 评 价

目 录 1 研 究 内 容... 1 2 主 要 成 果... 1 2.1 主 要 技 术 成 果... 1 2.2 攻 克 的 关 键 技 术... 1 2.3 主 要 创 新 点... 2 3 公 路 桥 梁 车 辆 荷 载 谱 桥 面 谱 分 类 标 准 研 究... 2 3.1 荷 载 谱 分 类 标 准 研 究... 4 3.2 桥 面 谱 分 类 标 准 研 究... 4 4 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 特 性 研 究... 6 5 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 分 析 方 法 研 究... 8 6 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 的 安 全 性 与 舒 适 性 影 响 分 析... 10 7 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 系 统 的 研 发... 10 7.1 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 计 算 系 统... 11 7.2 MIDASTOANSYS 模 型 转 换 系 统... 12 7.3 不 平 整 桥 面 样 本 生 成 及 等 级 评 价 系 统... 14 7.4 时 程 曲 线 频 谱 分 析 及 冲 击 系 数 计 算 系 统... 14 7.5 振 动 环 境 下 的 人 体 舒 适 度 评 价 系 统... 15 8 实 桥 试 验 应 用 研 究... 16 9 结 束 语... 18

1 研 究 内 容 本 项 目 主 要 工 作 内 容 转 录 合 同 ( 编 号 :2008 318 812 32), 主 要 由 以 下 七 个 研 究 专 题 组 成 : 专 题 1: 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 研 究 现 状 调 研 专 题 2: 公 路 桥 梁 车 辆 荷 载 谱 路 面 谱 分 类 标 准 的 研 究 专 题 3: 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 特 性 研 究 专 题 4: 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 分 析 方 法 研 究 专 题 5: 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 的 桥 梁 安 全 性 评 价 方 法 专 题 6: 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 评 价 系 统 研 发 专 题 7: 实 桥 试 验 应 用 研 究 2 主 要 成 果 2.1 主 要 技 术 成 果 经 过 三 年 多 的 研 究 攻 关, 本 项 目 按 合 同 要 求 完 成 全 部 研 究 内 容, 取 得 研 究 成 果 有 : (1) 研 究 报 告 1) 大 中 跨 径 混 凝 土 桥 梁 预 应 力 检 测 技 术 研 究 总 报 告 ; 2) 分 报 告 之 一 : 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 研 究 现 状 调 研 报 告 ; 3) 分 报 告 之 二 : 公 路 桥 梁 车 辆 荷 载 模 型 及 桥 面 谱 分 类 标 准 研 究 报 告 ; 4) 分 报 告 之 三 : 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 特 性 研 究 报 告 ; 5) 分 报 告 之 四 : 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 分 析 方 法 研 究 报 告 ; 6) 分 报 告 之 五 : 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 的 安 全 性 评 价 方 法 研 究 报 告 ; 7) 分 报 告 之 六 : 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 评 价 系 统 研 发 研 究 报 告 ; 8) 分 报 告 之 七 : 依 托 工 程 试 验 研 究 报 告 (2) 软 件 著 作 权 登 记 :5 项 (3) 共 培 养 硕 士 研 究 生 20 名 博 士 研 究 生 3 名 (4) 核 心 期 刊 发 表 学 术 论 文 17 篇 2.2 攻 克 的 关 键 技 术 (1) 利 用 实 地 调 查 的 汽 车 荷 载 流 量 等 随 机 信 息 模 拟 成 适 合 于 公 路 车 桥 耦 合 振 动 分 析 的 典 型 汽 车 模 型 ; (2) 通 过 桥 面 平 整 度 信 息 的 实 地 采 集 统 计 分 类, 进 行 桥 面 谱 的 计 算 机 模 拟 ; 1

(3) 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 下 桥 梁 结 构 安 全 性 行 车 安 全 性 及 舒 适 性 评 价 方 法 研 究 ; (4) 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 评 价 系 统 软 件 的 研 发 2.3 主 要 创 新 点 (1) 提 出 了 适 合 于 公 路 车 桥 耦 合 振 动 分 析 的 典 型 汽 车 模 型 ( 基 于 汽 车 荷 载 随 机 流 量 调 查 ); (2) 基 于 实 地 桥 面 铺 装 层 平 整 度 信 息 采 集 的 桥 面 谱 计 算 机 模 拟 ; (3) 公 路 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 下 桥 梁 结 构 安 全 性 评 价 行 车 安 全 性 和 舒 适 性 评 价 体 系 ; (4) 研 发 了 可 以 考 虑 多 种 行 车 因 素 的 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 及 评 价 集 成 系 统 软 件 3 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 研 究 现 状 调 研 3.1 汽 车 荷 载 谱 公 路 路 面 谱 研 究 方 法 现 状 (1) 汽 车 荷 载 谱 车 辆 荷 载 模 型 可 以 分 为 三 类 :1) 基 于 纯 理 论 的 模 型, 包 括 随 机 过 程 理 论 卷 积 和 积 分 等 方 法 ;2) 基 于 模 拟 车 辆 荷 载 静 力 构 造 的 模 型 ;3) 基 于 模 拟 真 实 交 通 流 的 模 型 车 辆 荷 载 基 本 数 据 的 来 源 一 般 有 三 种 途 径 :1) 载 货 车 辆 调 查 2) 动 态 称 重 即 WIM (Weight In Motion) 法 3) 档 案 引 证 目 前 国 内 外 多 数 活 载 模 型 的 资 料 主 要 还 是 来 自 载 货 车 辆 调 查 这 一 途 径 国 内 目 前 关 于 车 辆 荷 载 谱 尚 没 有 制 定 统 一 的 设 计 标 准 长 安 大 学 按 照 等 效 疲 劳 损 伤 原 理 成 功 地 将 一 种 简 单 实 用 的 模 型 车 辆 荷 载 频 值 谱 的 简 化 方 法 应 用 于 实 际 工 程 (2) 桥 面 谱 平 整 度 的 定 义 与 测 量 方 法 有 着 密 切 的 关 系, 至 今 还 没 有 一 个 统 一 的 定 义 平 整 度 是 评 价 桥 面 使 用 性 能 的 一 项 十 分 重 要 的 指 标, 它 对 车 辆 的 磨 损 燃 油 消 耗 表 面 损 坏 和 交 通 安 全 等 产 生 的 影 响 更 大 研 究 表 明 功 率 谱 密 度 函 数 能 很 好 地 表 征 桥 面 的 平 整 度, 是 研 究 平 整 度 特 性 的 重 要 方 式 功 率 谱 密 度 函 数 能 够 表 示 桥 面 平 整 度 在 空 间 频 域 的 分 布, 它 刻 画 了 桥 面 波 的 结 构, 平 整 度 大 致 可 认 为 是 均 值 为 零 各 态 历 经 的 平 稳 随 机 过 程, 国 家 也 颁 布 了 相 应 的 标 准, 将 平 整 度 分 为 八 个 等 级 由 于 桥 面 铺 装 层 不 会 像 路 面 一 样 产 生 诸 如 大 坑 槽 大 弯 沉 等 严 2

重 病 害 问 题, 所 以 可 以 将 桥 面 的 平 整 度 分 为 四 个 等 级 来 进 行 研 究 现 今, 国 内 外 用 来 生 成 桥 面 平 整 度 数 据 方 法 有 三 角 级 数 叠 加 法 积 分 单 位 白 噪 声 法 滤 波 器 整 形 白 噪 声 法 ARMA(Auto-Regressive and Moving Average) 模 型 法 基 于 傅 里 叶 逆 变 换 法 等 桥 面 平 整 度 的 测 量 方 法 与 测 定 仪 器, 主 要 可 分 为 三 类 : 断 面 类 反 应 类 还 有 主 观 评 价 类 3.2 桥 梁 结 构 汽 车 结 构 振 动 特 性 研 究 现 状 建 立 用 于 车 桥 耦 合 振 动 的 桥 梁 分 析 模 型 主 要 采 用 有 限 元 法 由 于 汽 车 车 身 振 动 频 率 大 约 为 0.5~1.5Hz, 属 于 低 频 工 作 范 围, 研 究 者 为 了 模 型 的 简 化, 多 采 用 线 性 集 中 参 数 模 型, 忽 略 弹 簧 和 轮 胎 的 质 量 与 阻 尼, 同 时 假 定 车 身 的 俯 仰 角 和 侧 倾 角 很 小, 结 合 拉 格 朗 日 方 程 及 其 模 型 参 数, 给 出 车 辆 模 型 振 动 方 程 的 一 般 推 导 方 法 3.3 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 研 究 现 状 车 辆 和 桥 梁 间 的 相 互 作 用 受 到 诸 多 因 素 影 响 : 如 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 ); 车 辆 的 动 力 特 性 ( 车 型 自 振 频 率 阻 尼 等 ); 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, 由 于 车 桥 耦 合 振 动 研 究 的 复 杂 性, 仍 有 问 题 尚 待 进 一 步 地 完 善 与 深 入 研 究 3.4 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 试 验 研 究 现 状 通 过 调 研 发 现, 铁 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 方 面 的 试 验 研 究 成 果 较 多, 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 方 面 的 试 验 研 究 成 果 较 少, 尤 其 是 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 模 型 振 动 试 验 研 究 更 少 公 路 桥 梁 的 试 验 中, 多 数 仅 进 行 了 桥 梁 模 态 测 试, 或 进 行 了 少 量 行 驶 工 况 的 车 桥 耦 合 振 动 响 应 及 冲 击 系 数 测 试, 而 鉴 于 公 路 桥 梁 车 辆 行 驶 工 况 的 多 样 性 与 随 机 性, 通 过 少 量 的 行 驶 工 况 测 试 很 难 归 纳 出 普 遍 性 的 结 论 3.5 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 安 全 性 分 析 舒 适 性 评 价 研 究 现 状 关 于 振 动 引 起 的 安 全 性 与 舒 适 性 研 究 最 早 是 在 1931 年,Reiher 和 Meister 通 过 10 名 志 愿 者 以 振 动 台 上 的 振 动 试 验 对 评 价 方 法 进 行 了 初 步 研 究 所 谓 舒 适 度 是 指 人 对 振 动 忍 受 程 度 的 一 种 综 合 度 量 指 标 目 前, 振 动 舒 适 度 评 定 的 指 标 主 要 有 杰 威 (Janeway) 舒 适 度 系 数 斯 佩 林 ( Spering) 舒 适 度 指 标 Wz 狄 克 曼 指 标 K 竖 向 与 横 向 振 动 加 速 度 振 动 频 率 等 车 桥 振 动 会 对 人 体 产 生 心 理 和 生 理 效 应, 对 于 行 人 车 辆 过 桥 时 桥 梁 的 允 许 振 动 程 度 目 前 没 有 统 一 的 舒 适 度 标 准 我 国 铁 路 客 车 舒 适 度 评 3

定 主 要 依 照 GB5599-85, 其 中 对 振 动 舒 适 度 采 用 斯 佩 林 舒 适 度 指 标 对 于 公 路 与 城 市 桥 梁, 我 国 目 前 没 有 相 关 规 程 与 铁 路 桥 梁 不 同, 公 路 桥 梁 的 横 向 刚 度 一 般 都 比 较 大, 横 向 振 动 一 般 没 有 问 题 4 公 路 桥 梁 车 辆 荷 载 谱 桥 面 谱 分 类 标 准 研 究 4.1 荷 载 谱 分 类 标 准 研 究 荷 载 谱 是 针 对 钢 桥 的 疲 劳 提 出 来 的 一 种 设 计 荷 载 模 式, 由 于 本 课 题 研 究 对 象 为 混 凝 土 桥 梁, 故 这 里 以 混 凝 土 桥 梁 设 计 荷 载 进 行 讨 论, 而 设 计 荷 载 最 关 键 的 莫 过 于 对 其 标 准 值 讨 论 了 本 课 题 以 常 规 混 凝 土 桥 梁 为 例, 阐 述 说 明 四 种 公 路 桥 梁 汽 车 荷 载 标 准 值 的 取 值 方 法, 分 别 为 环 比 法 统 计 法 经 验 法 法 规 法 根 据 以 前 研 究 结 构 和 相 关 经 验, 不 同 的 取 值 方 法 研 究 在 具 体 应 用 时 应 综 合 考 虑 不 同 的 方 法 适 合 确 定 不 同 的 参 数 : 其 中 统 计 法 用 于 确 定 合 理 状 态 和 合 理 时 段 的 荷 载 效 应 标 准 值 以 及 钢 桥 的 荷 载 谱, 显 然 现 行 的 公 路 设 计 荷 载 模 式 ( 集 中 力 + 均 布 力 ) 不 适 合 做 车 桥 耦 合 分 析, 而 荷 载 谱 是 针 对 钢 桥 的 疲 劳 特 性 提 出 的 一 种 设 计 荷 载 模 式, 对 混 凝 土 桥 梁 的 车 桥 耦 合 振 动 分 析 来 讲, 需 要 按 照 荷 载 谱 类 似 的 方 法 得 到 混 凝 土 桥 梁 车 桥 耦 合 分 析 的 一 种 计 算 模 式 项 目 基 于 某 高 速 公 路 上 实 测 随 机 车 流 数 据, 将 统 计 结 果 中 的 车 辆 重 新 分 类, 将 相 同 轴 数 的 车 辆 合 并 成 一 类, 重 新 确 定 每 一 类 车 辆 的 模 型 车 辆 根 据 轴 数 轴 重 轴 距 以 及 车 辆 间 距, 将 统 计 的 交 通 调 查 结 果 整 理 为 一 系 列 离 散 的 集 中 荷 载 序 列 ( 荷 载 流 ), 选 取 车 桥 耦 合 分 析 所 用 的 车 辆 模 型, 基 于 主 梁 控 制 截 面 静 弯 矩 或 挠 度 等 效 原 理 通 过 调 整 所 选 车 辆 模 型 的 间 距 给 出 等 代 的 车 辆 荷 载 模 型, 从 而 建 立 了 适 合 于 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 的 车 辆 模 型 典 型 的 等 代 荷 载 模 型 如 图 4.1 所 示 60 120 120 60 120 120 60 120 120 60 120 120 图 4.1 典 型 等 代 车 辆 模 型 ( 力 单 位 kn, 尺 寸 单 位 m) 4.2 桥 面 谱 分 类 标 准 研 究 平 整 度 作 为 桥 面 行 驶 的 重 要 性 能 指 标 之 一, 也 是 桥 面 性 能 研 究 中 难 点 问 题 之 一 车 辆 动 荷 载 的 研 究 也 是 路 面 力 学 特 性 分 析 中 的 一 个 重 点 和 难 点, 两 者 是 研 究 耦 合 振 动 体 系 中 必 不 可 少 的 通 过 数 学 模 型 对 桥 面 的 平 顺 性 进 行 模 拟, 生 成 桥 面 的 平 整 度 序 列, 可 以 4

为 车 辆 桥 梁 振 动 方 面 的 研 究 提 供 基 础 性 的 数 据 然 而, 如 何 准 确 的 模 拟 桥 面 的 平 整 度 一 直 是 我 们 最 为 重 视 的 问 题 在 以 往 的 公 路 桥 梁 动 力 方 面 研 究 中, 只 是 简 单 的 将 路 表 面 的 平 整 度 按 正 弦 曲 线 进 行 简 单 的 处 理 这 并 不 符 合 实 际 的 路 表 面 的 情 况, 一 般 的 路 表 面 平 整 度 是 无 规 则 的 复 杂 序 列 而 并 非 周 期 性 的 函 数 实 际 工 程 应 用 中 通 常 将 功 率 谱 密 度 (PSD) 来 表 示 桥 面 的 平 整 度 它 是 对 桥 面 平 整 度 进 行 统 计 意 义 描 述 常 用 的 统 计 量, 可 利 用 该 参 数 对 桥 面 平 整 度 进 行 等 级 评 价 经 过 大 量 研 究 表 明, 桥 面 的 平 整 度 序 列 可 以 假 定 为 是 均 值 为 零, 各 态 历 经 的 平 稳 随 机 过 程 有 了 这 个 假 定, 就 可 以 通 过 数 学 模 型 对 桥 面 的 平 整 度 序 列 进 行 仿 真 模 拟 现 今 比 较 常 用 的 模 拟 方 法 有 以 下 几 种 :(1) 谐 波 叠 加 法 ;(2) 白 噪 声 法 ;(3) 傅 里 叶 逆 变 换 法 ;(4)AR 模 型 法 项 目 分 别 采 用 随 机 白 噪 声 法 和 傅 里 叶 逆 变 换 法, 通 过 四 种 功 率 谱 密 度 函 数 (ISO SCI/WG4 标 准 米 奇 克 模 型 ( 水 泥 路 面 ) 米 奇 克 模 型 ( 沥 青 路 面 ) GB7031-86 车 辆 振 动 - 路 面 平 度 表 示 方 法 国 际 标 准 模 型 ), 对 桥 面 的 平 整 度 进 行 了 再 现 模 拟, 得 到 了 不 同 数 学 模 型 不 同 功 率 谱 密 度 函 数 不 同 函 数 等 级 下 的 桥 面 平 整 度 序 列 图, 结 果 表 明 : (1) 针 对 于 同 一 种 数 学 模 型 建 立 起 的 桥 面 平 整 度 来 说, 除 了 米 奇 克 模 型 外, 其 它 三 种 功 率 谱 密 度 函 数 所 模 拟 的 平 整 度 幅 值 变 化 较 为 相 似, 而 且 各 等 级 所 对 应 的 路 表 面 平 整 度 幅 值 的 绝 对 值 也 大 致 相 等 说 明 了 这 三 种 功 率 谱 函 数 的 正 确 性 (2) 针 对 同 一 种 功 率 谱 密 度 函 数 所 模 拟 的 桥 面 平 整 度 来 说, 白 噪 声 法 和 傅 里 叶 逆 变 换 法 所 得 出 的 各 等 级 的 桥 面 平 整 度 幅 值 的 绝 对 值 数 值 几 乎 一 样 说 明 运 用 这 两 种 方 法 模 拟 桥 面 平 整 度 的 正 确 性 我 国 学 者 在 研 究 路 面 特 性 时, 通 常 采 用 车 辆 振 动 - 路 面 平 度 表 示 方 法 GB7031-86 规 定 的 功 率 谱 函 数 来 验 证 桥 面 平 整 度 的 模 拟 结 果 故 项 目 也 采 用 此 规 范 来 进 行 桥 面 平 整 度 等 级 评 价 桥 面 的 平 整 度 评 价 指 标 大 致 分 为 两 大 类, 直 接 评 价 指 标 和 间 接 评 价 指 标 直 接 评 价 指 标 是 指 在 我 国 规 范 中 已 经 有 分 类 等 级 的 指 标 在 公 路 技 术 状 况 评 定 标 准 JTG H20-2007 中, 将 路 表 面 的 平 整 度 分 为 优 良 中 次 差 五 个 等 级, 用 行 驶 质 量 指 数 RQI 来 描 述 平 整 度 指 标 另 外, 在 车 辆 振 动 输 入 - 路 面 平 度 表 示 方 法 (GB7031-86) 中, 采 用 功 率 谱 密 度 函 数 的 概 念 来 对 表 面 的 平 整 度 进 行 分 类, 将 路 表 面 分 为 A~H 八 个 等 级 间 接 评 价 指 标 是 指 可 以 通 过 统 计 试 验 计 算 等 数 学 方 法 与 直 接 评 价 指 标 建 立 某 种 关 系, 进 而 评 定 平 顺 等 级 的 指 标 这 样 的 指 标 有 很 多, 比 如 说 国 际 平 整 度 指 数 IRI, 平 整 度 标 准 差, 单 向 累 计 值 VBI, 最 大 间 隙 h 等 项 目 用 平 整 度 测 量 仪 得 到 的 平 整 度 数 据 经 过 数 据 处 理 之 后, 得 到 的 平 整 度 样 本 数 据 5

为 ym ( ) 对 样 本 数 据 ym ( ) 乘 以 离 散 窗 函 数 wn ( ) 后, 进 行 离 散 傅 里 叶 变, 将 变 换 后 的 功 率 谱 密 度 函 数 乘 以 补 偿 系 数 K 0 后, 得 到 离 散 功 率 谱 数 据 Gy( k)( k 1,2,, m), 经 过 相 关 运 算, 得 到 离 散 桥 面 位 移 功 率 谱 密 度 G ( k)( k 1,2,, m), 将 G ( k ) 与 给 定 的 功 率 谱 密 度 x 进 行 比 较, 从 而 判 定 桥 面 的 平 整 度 等 级 最 后 以 某 高 速 公 路 46 座 桥 梁 为 例, 进 行 了 应 用 研 究 5 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 特 性 研 究 使 用 有 限 元 数 值 方 法 对 依 托 工 程 中 的 后 围 寨 大 桥 ( 连 续 梁 桥 ) 旬 河 大 桥 ( 连 续 刚 构 桥 ) 封 侯 沟 大 桥 ( 连 续 梁 - 连 续 刚 构 组 合 结 构 桥 ) 三 座 不 同 类 型 连 续 体 系 桥 梁 用 理 论 方 法 与 ANSYS 软 件 结 合 进 行 车 桥 耦 合 振 动 特 性 参 数 分 析, 车 辆 用 MASS21 单 元 与 COMBIN14 单 元 进 行 模 拟, 对 车 辆 基 频 小 于 桥 梁 基 频 车 辆 基 频 接 近 桥 梁 基 频 和 车 辆 基 频 大 于 桥 梁 基 频 三 种 情 况 进 行 了 分 析, 并 且 对 单 车 作 用 于 各 跨 跨 中 各 跨 以 10m 间 距 布 满 车 正 负 影 响 线 以 10m 间 距 布 满 车 以 及 全 桥 以 10m 间 距 布 满 车 四 个 大 工 况 进 行 了 分 析, 结 果 表 明 当 单 车 作 用 于 各 跨 跨 中 时, 车 桥 系 统 对 桥 梁 结 构 频 率 变 化 不 大 ; 多 车 辆 工 况 对 于 车 桥 系 统 的 动 力 特 性 影 响 较 大, 为 后 续 模 型 桥 分 析 计 算 奠 定 了 基 础 5.1 静 力 试 验 所 示 以 实 桥 为 原 型, 模 型 的 几 何 尺 寸 按 相 似 比 1/20 进 行 设 计, 模 型 总 体 布 置 如 图 5.1 模 型 桥 静 力 试 验 分 七 种 工 况 逐 级 加 载, 每 次 加 载 均 记 录 各 测 点 挠 度, 和 各 控 制 截 面 的 应 变, 为 下 一 步 有 限 元 模 型 修 正 提 供 实 测 数 据 加 载 工 况 如 图 5.2 所 示 x 6

图 5.1 模 型 总 体 布 置 图 7

图 5.2 模 型 桥 静 载 试 验 工 况 布 置 示 意 图 ( 单 位 :cm) 5.2 动 载 试 验 首 先 采 用 单 个 弹 簧 质 量 系 统 依 次 放 置 于 不 同 位 置 进 行 测 试 然 后 依 据 振 型 的 正 交 性 根 据 模 型 桥 的 前 三 阶 竖 向 弯 曲 振 动 对 各 组 弹 簧 系 统 敏 感 程 度 不 同, 选 取 合 适 的 弹 簧 对 模 型 桥 进 行 多 个 弹 簧 质 量 系 统 同 时 加 载 进 行 测 试, 每 个 工 况 测 试 车 桥 耦 合 下 桥 梁 的 频 率 ; 然 后 测 试 激 扰 力 下 桥 梁 的 响 应 具 体 工 况 有 :1 单 个 质 量 弹 簧 系 统 作 用 于 不 同 加 载 位 置 2 多 个 质 量 弹 簧 系 统 作 用 于 不 同 加 载 位 置 :3 激 扰 力 作 用 下 桥 梁 的 响 应 5.3 模 型 修 正 以 模 型 试 验 桥 的 动 静 载 荷 载 试 验 为 基 础, 采 用 静 载 试 验 中 的 位 移 和 动 载 试 验 中 的 频 率 作 为 状 态 变 量, 以 各 项 实 测 值 与 相 应 计 算 值 的 百 分 比 偏 差 的 平 方 和 作 为 目 标 函 数, 结 合 ANSYS 程 序 的 优 化 分 析 功 能, 对 车 桥 耦 合 模 型 试 验 桥 的 初 始 有 限 元 模 型 的 计 算 参 数 进 行 了 修 正 同 时 在 修 正 的 过 程 中 引 入 约 束 条 件 限 制 各 待 修 正 参 数 和 状 态 变 量 的 变 化 范 围, 使 得 修 正 后 的 各 参 数 具 有 物 理 意 义 修 正 后 的 有 限 元 模 型 不 仅 为 车 桥 耦 合 动 力 计 算 分 析 提 供 了 更 加 切 合 实 际 的 数 学 模 型, 还 验 证 采 用 ANSYS 程 序 进 行 车 桥 耦 合 振 动 模 型 修 正 的 可 行 性, 并 且 在 实 桥 试 验 中 对 该 方 法 进 行 了 验 证 6 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 分 析 方 法 研 究 8

本 专 题 研 究 的 主 要 内 容 及 成 果 有 :( 1) 提 出 车 桥 耦 合 振 动 数 值 分 析 算 法 : 利 用 强 大 的 有 限 元 通 用 软 件 ANSYS 对 车 辆 桥 梁 分 别 独 立 进 行 建 模, 根 据 车 辆 模 型 特 性 以 及 车 桥 接 触 位 移 协 调 条 件 来 求 解 任 意 时 刻 车 桥 之 间 相 互 作 用 力, 并 利 用 APDL 编 程 语 言 在 任 意 时 刻 施 加 于 桥 梁 及 车 辆 相 关 节 点, 基 于 ANSYS 单 一 环 境 实 现 了 车 桥 耦 合 振 动 问 题 的 数 值 求 解, 并 通 过 与 既 有 文 献 结 果 的 对 比 及 实 桥 试 验 验 证 了 该 方 法 在 匀 速 匀 变 速 路 面 不 平 整 等 工 况 下 的 可 行 性 (2) 以 某 座 高 墩 大 跨 连 续 刚 构 桥 为 背 景, 应 用 已 开 发 的 车 桥 耦 合 振 动 响 应 求 解 系 统, 研 究 车 桥 耦 合 振 动 中 的 车 体 质 量 车 辆 竖 向 振 动 基 频 车 辆 数 量 桥 面 平 整 度 等 级 车 辆 行 驶 速 度 车 辆 行 驶 加 速 度 等 参 数 独 立 变 化 时, 桥 梁 主 梁 及 桥 墩 控 制 截 面 的 挠 度 冲 击 系 数 弯 矩 冲 击 系 数 竖 向 加 速 度 峰 值 以 及 车 辆 竖 向 加 速 度 峰 值 的 变 化 规 律 (3) 以 陕 西 4 座 大 跨 连 续 体 系 桥 梁 的 结 构 尺 寸 为 研 究 依 据, 虚 拟 了 32 座 跨 径 80~200m, 墩 高 0~100m 的 连 续 体 系 桥 梁 通 过 正 交 试 验 理 论, 对 单 车 辆 行 驶 过 桥 工 况 和 汽 车 流 行 驶 过 桥 工 况 分 别 进 行 了 桥 梁 控 制 截 面 的 挠 度 冲 击 系 数 弯 矩 冲 击 系 数 竖 向 加 速 度 峰 值 以 及 车 辆 的 竖 向 加 速 度 峰 值 的 敏 感 性 参 数 分 析 给 出 了 总 跨 数 墩 高 中 跨 跨 径 桥 面 平 整 度 等 级 桥 墩 构 造 车 辆 行 驶 速 度 车 辆 竖 向 振 动 基 频 车 辆 行 驶 间 隔 时 间 ( 单 车 辆 形 式 工 况 不 考 虑 ) 车 道 间 错 位 ( 单 车 辆 形 式 工 况 不 考 虑 ) 等 影 响 因 素 对 桥 梁 各 项 动 态 响 应 参 数 的 影 响 程 度 排 名 基 于 ANSYS 的 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 算 法 流 程 如 图 6.1 所 示 9

图 6.1 车 桥 耦 合 振 动 分 析 求 解 流 程 图 7 高 墩 大 跨 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 的 安 全 性 与 舒 适 性 影 响 分 析 本 专 题 分 别 以 某 连 续 梁 桥 连 续 刚 构 桥 刚 构 - 连 续 组 合 体 系 桥 梁 为 依 托 工 程 分 别 采 用 能 量 法 和 回 归 法 给 出 了 三 种 桥 型 的 基 频 计 算 公 式, 采 用 空 间 7 自 由 度 双 轴 车 辆 模 型, 运 用 车 桥 耦 合 振 动 数 值 分 析 方 法, 研 究 连 续 体 系 桥 梁 在 汽 车 流 作 用 下 的 车 桥 耦 合 振 动 响 应 并 计 算 相 关 冲 击 系 数, 最 终 拟 合 给 出 桥 梁 各 部 位 在 汽 车 流 作 用 下 的 冲 击 系 数 实 用 计 算 公 式 从 而 实 现 了 桥 梁 结 构 的 安 全 性 评 价, 提 出 了 主 梁 各 部 位 与 车 辆 驾 驶 员 处 竖 向 加 速 度 峰 值 实 用 计 算 公 式, 对 车 桥 耦 合 振 动 行 车 安 全 性 与 舒 适 性 评 价 方 法 进 行 研 究 通 过 大 量 数 值 计 算, 作 出 车 辆 在 该 桥 上 行 驶 时 的 点 头 加 速 度 和 侧 转 角 加 速 度 曲 线 包 络 图, 并 以 此 作 为 以 评 价 车 辆 行 车 安 全 性 的 参 考 范 围 ; 采 用 ISO 2631 标 准 推 荐 的 1/3 倍 频 带 法 评 价 车 辆 在 桥 上 行 驶 时 的 驾 驶 员 舒 适 性 8 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 分 析 系 统 的 研 发 本 项 目 编 制 开 发 了 车 桥 耦 合 振 动 相 应 的 可 视 化 执 行 系 统, 该 系 统 操 作 简 单, 功 能 强 大, 在 主 界 面 输 入 相 关 计 算 参 数 即 可 生 成 各 所 需 参 数 的 时 程 曲 线 EXCEL 表 格 对 于 MIDAS 与 ANSYS 的 模 型 转 换 桥 面 不 平 整 度 的 样 本 生 成 与 等 级 评 价 振 动 环 境 下 的 人 体 舒 适 性 10

评 价 等 车 桥 耦 合 振 动 研 究 相 关 问 题 进 行 了 研 究, 研 发 了 各 自 独 立 的 软 件, 各 软 件 均 独 立 申 请 计 算 机 软 件 著 作 权 登 记, 配 合 车 桥 耦 合 振 动 的 研 究 工 作, 极 大 提 高 了 工 作 效 率 本 程 序 适 用 于 车 辆 ( 车 流 ) 通 过 常 见 公 路 桥 梁 时 的 车 桥 耦 合 振 动 响 应 计 算, 结 果 可 输 出 桥 梁 任 意 截 面 的 弯 矩 挠 度 速 度 加 速 度 等 参 数 的 动 态 响 应 曲 线 及 相 关 数 据, 为 桥 梁 的 冲 击 系 数 及 安 全 性 研 究 等 提 供 理 论 依 据 本 系 统 的 主 要 技 术 特 点 如 下 : (1) 操 作 简 单 : 用 户 只 需 提 供 桥 梁 建 模 命 令 流 文 件 与 不 平 整 度 文 件 ( 若 考 虑 ), 其 余 工 作 只 需 运 行 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 计 算 系 统, 根 据 界 面 提 示 输 入 参 数, 全 部 参 数 输 入 完 成 后 点 击 运 行, 即 可 对 所 需 工 况 进 行 计 算 分 析 (2) 功 能 强 大 : 可 对 复 杂 桥 梁 结 构, 复 杂 车 辆 模 型, 复 杂 行 驶 工 况 共 同 作 用 下 的 车 桥 耦 合 振 动 响 应 进 行 计 算 分 析 8.1 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 计 算 系 统 (1) 系 统 功 能 及 主 要 界 面 可 模 拟 双 轴 三 轴 的 平 面 空 间 车 辆 模 型 可 分 别 考 虑 桥 面 各 车 辆 模 型 中 车 体 及 轮 对 的 刚 度 阻 尼 质 量 等 参 数 计 算 参 数 可 模 拟 单 车 或 多 车 以 不 同 的 行 驶 参 数 匀 速 匀 变 速 行 驶 过 桥 或 刹 车 止 于 桥 面 可 考 虑 桥 面 的 不 平 整 度 对 车 桥 振 动 的 影 响 可 模 拟 超 车 变 换 车 道 多 车 道 同 向 / 反 向 行 驶 等 复 杂 行 驶 工 况 系 统 功 能 分 析 类 型 车 桥 耦 合 振 动 响 应 分 析 移 动 常 量 荷 载 动 态 响 应 分 析 移 动 常 量 荷 载 静 态 响 应 分 析 可 视 化 界 面, 输 入 数 据 即 可 后 台 调 用 ANSYS 进 行 分 析 计 算 实 用 功 能 同 时 可 计 算 多 座 桥 梁 多 种 行 车 工 况 中 的 多 个 截 面 耦 合 振 动 响 应, 一 次 得 到 分 析 结 果 无 需 用 户 掌 握 ANSYS, 计 算 完 成 后 以 EXCEL 形 式 给 出 所 有 动 态 响 应 时 称 曲 线 及 相 关 数 据, 计 算 全 过 程 不 涉 及 任 何 ANSYS 操 作 图 8.1 系 统 功 能 汇 总 示 意 图 11

图 8.2 总 体 数 据 输 入 界 面 8.2 MIDAStoANSYS 模 型 转 换 系 统 本 系 统 为 车 桥 耦 合 振 动 响 应 计 算 系 统 的 辅 助 程 序, 可 将 有 限 元 程 序 MIDAS/CIVIL 中 通 过 等 截 面 / 变 截 面 梁 单 元 所 建 立 的 简 支 梁 连 续 梁 连 续 刚 构 等 桥 梁 模 型 进 行 转 换, 提 取 其 中 的 节 点 参 数 单 元 参 数 材 料 参 数 一 般 支 撑 参 数 弹 性 连 接 参 数 截 面 参 数 及 变 截 面 参 数 等 七 项 表 格, 自 动 将 其 转 化 为 通 用 有 限 元 程 序 ANSYS 中 的 数 值 模 型, 进 而 利 用 ANSYS 的 强 大 运 算 功 能 进 行 车 桥 耦 合 振 动 桥 梁 抗 风 抗 震 等 更 加 深 入 的 研 究 分 析 针 对 车 桥 耦 合 振 动 响 应 系 统 的 同 时 计 算 多 工 况 功 能, 本 系 统 特 别 提 供 了 桥 梁 重 复 建 模 功 能, 可 将 MIDAS 中 的 单 一 桥 梁 模 型, 转 换 为 ANSYS 中 的 多 个 相 同 但 独 立 的 桥 梁 模 型, 通 过 单 次 计 算 得 到 多 工 况 的 计 算 结 果 其 程 序 界 面 如 图 8.3-8.5 所 示 12

图 8.3 系 统 主 界 面 图 8.4 转 换 前 的 MIDAS 模 型 图 8.5 转 换 后 的 ANSYS 模 型 示 意 13

8.3 不 平 整 桥 面 样 本 生 成 及 等 级 评 价 系 统 本 系 统 可 生 成 各 等 级 下 的 不 平 整 桥 面 样 本, 亦 可 对 已 知 样 本 进 行 等 级 评 价, 进 而 为 车 桥 耦 合 振 动 响 应 车 内 人 员 的 舒 适 性 等 研 究 提 供 支 持 其 主 界 面 如 图 8.6 所 示 图 8.6 样 本 生 成 输 入 界 面 图 8.7 等 级 评 价 输 入 界 面 8.4 时 程 曲 线 频 谱 分 析 及 冲 击 系 数 计 算 系 统 为 了 从 桥 梁 实 测 或 理 论 计 算 得 到 的 位 移 弯 矩 等 响 应 时 程 曲 线 中 分 析 该 响 应 的 冲 击 系 数, 本 系 统 通 过 将 时 程 曲 线 进 行 频 谱 分 析, 进 而 根 据 需 要 进 行 低 通 频 率 带 滤 波 的 方 法, 用 滤 波 后 的 时 程 曲 线 近 似 模 拟 结 构 的 静 态 响 应 曲 线, 从 而 快 速 有 效 的 近 似 计 算 结 构 的 冲 击 系 数, 为 冲 击 系 数 的 研 究 提 供 支 持 典 型 界 面 如 图 8.8 所 示 14

图 8.8 冲 击 系 数 分 析 结 果 8.5 振 动 环 境 下 的 人 体 舒 适 度 评 价 系 统 本 系 统 可 根 据 用 户 所 输 入 的 竖 向 振 动 加 速 度 时 程 数 据 及 其 采 样 频 率, 运 用 1/3 倍 频 带 法 计 算 各 中 心 频 率 所 对 应 的 加 速 度 均 方 差 (RMS) 变 化 图, 并 与 机 械 振 动 与 冲 击 人 体 暴 露 于 全 身 振 动 的 评 价 ( GB/T 13441) 中 给 出 的 人 体 舒 适 性 下 降 界 限 曲 线 进 行 对 比, 进 行 振 动 对 人 体 的 舒 适 性 评 价, 进 而 为 车 桥 耦 合 振 动 对 驾 驶 员 舒 适 性 的 影 响 等 研 究 课 题 提 供 支 持 典 型 界 面 如 图 8.9 所 示 图 8.9 A 级 桥 面 驾 驶 员 处 竖 向 加 速 度 15

图 8.10 A 级 桥 面 驾 驶 员 处 舒 适 度 评 价 9 实 桥 试 验 应 用 研 究 四 座 依 托 工 程 桥 梁 位 于 宝 汉 高 速, 分 别 是 五 里 坡 特 大 桥 涧 口 河 特 大 桥 赵 家 塬 大 桥 南 村 特 大 桥 4 座 桥 均 属 于 高 墩 大 跨 连 续 刚 构 特 大 桥, 其 中 五 里 坡 特 大 桥 全 长 1238 米, 最 大 墩 高 即 有 153 米, 最 大 跨 径 160 米, 桥 面 高 达 172 米 其 次 涧 口 河 大 桥 最 大 桥 高 118 米, 南 村 特 大 桥 最 大 桥 高 95 米 和 赵 家 塬 大 桥 最 大 桥 高 89 米 本 专 题 主 要 研 究 内 容 : (1) 通 过 对 宝 汉 高 速 公 路 四 座 依 托 工 程 桥 梁 在 环 境 激 励 和 车 辆 荷 载 激 励 下 的 振 动 响 应 测 试, 分 析 主 梁 前 几 阶 振 型 以 及 相 应 的 自 振 频 率 和 阻 尼 比 (2) 通 过 实 测 宝 汉 高 速 公 路 四 座 依 托 工 程 桥 梁 的 控 制 截 面 的 挠 度 应 变 和 时 程 曲 线, 计 算 其 相 应 的 冲 击 系 数, 与 车 桥 耦 合 振 动 分 析 评 价 系 统 软 件 计 算 的 相 应 值 时 程 曲 线 和 冲 击 系 数 对 比, 分 析 依 托 桥 梁 结 构 安 全 性 车 辆 行 驶 的 安 全 性 及 舒 适 性, 从 而 验 证 本 项 目 研 发 的 车 桥 耦 合 振 动 研 究 方 法 和 分 析 评 价 系 统 软 件 的 可 靠 性 表 9.1 为 涧 口 河 特 大 桥 竖 向 前 三 阶 自 振 频 率, 图 9.1-9.2 为 其 实 测 自 振 频 谱 和 振 型 图 表 9.1 涧 口 河 特 大 桥 竖 向 前 三 阶 自 振 频 率 ( 单 位 :Hz) 振 型 序 列 计 算 值 实 测 值 实 测 值 与 计 算 值 之 比 振 型 特 征 第 一 阶 0.757 0.905 1.196 竖 向 振 动 第 二 阶 0.867 1.048 1.209 竖 向 振 动 第 三 阶 1.002 1.221 1.220 竖 向 振 动 16

图 9.1 涧 口 河 特 大 桥 纵 向 振 动 频 谱 图 (a) 计 算 振 型 (b) 实 测 振 型 图 9.2 涧 口 河 特 大 桥 竖 向 第 一 阶 模 态 一 辆 车 30km/h 时 对 中 跨 跨 中 处 动 挠 度 测 点 数 据 记 录, 得 到 计 算 与 实 测 的 中 跨 跨 中 17

s: in m 5 :5 0 0 :5 0 5 :4 0 0 :4 0 5 :3 0 0 :3 0 5 :2 0 0 :2 0 5 :1 0 0 :1 0 5 :0 0 0 :0 0 005-2 000-2 005-1 000-1 00-5 0 50 1 0 竖 向 动 位 移 时 程 曲 线 如 图 9.3 所 示, 其 中 动 挠 度 时 程 曲 线 图 竖 坐 标 中 514mV 电 压 值 相 当 于 1mm 挠 度 值, 动 弯 矩 时 程 曲 线 图 竖 坐 标 中 1mV 电 压 值 相 当 于 8.86kN.m 弯 矩 值 2 位 移 :mm 时 间 :s 0-1 0 10 20 30 40 50 60 70-2 -3-4 -5 (a) 计 算 值 电 压 :mv (b) 实 测 值 图 9.3 中 跨 跨 中 动 挠 度 时 程 曲 线 ( 一 辆 车 30km/h) 10 结 束 语 本 项 目 从 立 项 到 完 成 经 历 了 近 三 年 半 的 时 间, 尤 其 是 公 路 桥 梁 车 桥 耦 合 振 动 响 应 分 析 系 统 软 件 凝 聚 了 课 题 组 全 体 成 员 的 心 智 与 汗 水, 是 项 目 研 究 成 果 精 华 的 集 中 体 现 项 18

目 共 提 交 七 本 分 报 告, 一 本 总 报 告 由 于 课 题 组 成 员 水 平 有 限, 在 报 告 中 肯 定 有 不 少 错 误 和 疑 问 之 处 在 此 恳 请 专 家 提 出 批 评 改 正 意 见 19