簡(jiǎn)支梁橋在車輛荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)影響因素分析

1、簡(jiǎn)支梁橋在車輛荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)影響因素分析的振動(dòng)響應(yīng)影響因素分析董傳磊(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410075)摘要:本文以已有的車橋振動(dòng)基本理論為基局蠱,運(yùn)用有限元軟件ANSVS'.析了簡(jiǎn)支梁橋在車輛荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)(豎向位移),對(duì)比得出了橋面平整度,車速,車型和車輛載重等因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響作用.關(guān)健詞:車橋振動(dòng)方程;簡(jiǎn)支梁;位移響應(yīng)AnalysisonDynamicCharacteristicsofSimpleSupportedBeamBridgeunderVehicleLoad(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,C

2、entralSouthUniversity,Changsha,Hunan410075)Abstract:Thepaperdealswiththeintroductionoftheexistingbasictheoryofbridgevibration,analyzesthechangesofthebeam'Sdeflection(verticaldisplacement)whenthevehicleistravelingunderuniformconstantforceanduniformharmonicforcebyusingfiniteelementsoftwareANSYS,an

3、dreachestheconclusionthatspeedanddeckflatnesshaveanimpactonstabilityofbridge.Keywords:Vehiclebridgevibrationequation;Simplebeam;Displacementresponsel引言橋梁結(jié)構(gòu)在各種車輛荷載作用下,由于車輛與橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用將引起橋梁系統(tǒng)的振動(dòng),且動(dòng)內(nèi)力和動(dòng)變形式與車輛行駛過程中對(duì)橋梁的實(shí)際作用力之間的差異越來越大,橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性也遠(yuǎn)非靜力特性所能描述,仍舊使用靜載模式已不能反映橋梁的實(shí)際受力狀況,無法解梁在移動(dòng)車輛作用時(shí)的結(jié)構(gòu)安全,在橋梁設(shè)計(jì)中必須考慮車

4、輛荷載振動(dòng)作用的影響,限制車輛運(yùn)行時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的較大振動(dòng).因此,車橋相互作用的振動(dòng)問題越來越受到人們的重視.一方面,重載或高速運(yùn)行的車輛對(duì)所通過的橋梁結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生動(dòng)力沖擊作用,直接影響其工作狀態(tài)和使用壽命;另一方面,橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又對(duì)行駛車輛的平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響,使其成為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)振動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)合理與否的重要考慮因素.因此,對(duì)車輛橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究,以便對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)上運(yùn)行車輛安全行駛作出振動(dòng)分析和評(píng)估,確定它們?cè)诟鞣N狀態(tài)下的可靠性,是合理進(jìn)行鐵路,公路城市輕軌等橋梁結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需要,對(duì)于承受移動(dòng)車輛荷載的各種橋梁結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)和建造具有十分重要的理論和實(shí)際意義

5、.2車橋振動(dòng)基本方程的建立1905年俄國學(xué)者首先研究了在勻速常量力作用下簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)問題.他認(rèn)為,相對(duì)于跨度較大的橋梁而言,移收稿日期:20100209修回日期:2010-0309作者簡(jiǎn)介:董傳磊(1984一).男,湖南長(zhǎng)沙籍,中南大學(xué)碩士研究生.動(dòng)車輛載荷的質(zhì)量可忽略不計(jì),避免了變系數(shù)微分方程求解的困難.簡(jiǎn)支梁在外荷載F(x,t)作用下的振動(dòng)方程可表示為:E,+=F(x,t)一(式1)OX一式中,EI是梁的抗彎剛度,假設(shè)為常量;m是梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的質(zhì)量,假設(shè)為常量.其解耦的強(qiáng)迫振動(dòng)方程為:A"+co2一F(I1x,t)Cp.(x)dx:1,2Jv)(式2)m【:(式中,(x)是第FI

6、階振型函數(shù);to是第n階固有頻率.對(duì)于勻速移動(dòng)的常量力,強(qiáng)迫振動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為:+m:=sinl'2一(式3)振動(dòng)響應(yīng)表達(dá)式為:c圳砉【sinsin孚一c式中,是移動(dòng)常量力的廣義擾動(dòng)頻率,其值為nnv/l:Q.sintof代表強(qiáng)迫振動(dòng),啪代表自由振動(dòng).假設(shè)在最不利情況下的強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅和自由振動(dòng)的振幅正好疊加起來,取級(jí)數(shù)的第一項(xiàng)來討論,引入,:竺.:旦-,則簡(jiǎn)支梁跨中的最大動(dòng)撓度可簡(jiǎn)寫為:=簪()(?+=器擊一39中國西部科技2010年03月(下旬)第09卷第09期總第206期上式中,?西2FIJ,相當(dāng)于F作用于簡(jiǎn)支梁跨中時(shí)的靜撓度,于是得到:I_Y1一a(式6)度增大,直達(dá)到共振時(shí),可

7、以發(fā)現(xiàn)最大的撓度發(fā)生在常量力即將離開時(shí)的瞬間.載重汽車在橋頭受到路面的激勵(lì)后以車輛的固有頻率發(fā)生振動(dòng)而通過橋梁時(shí),車身的慣性力就是一種移動(dòng)的簡(jiǎn)諧力;又如,當(dāng)早期的蒸汽機(jī)車通過橋梁時(shí),驅(qū)動(dòng)輪的不平衡重所產(chǎn)生的錘擊力也是一種移動(dòng)簡(jiǎn)諧力.當(dāng)簡(jiǎn)諧力以COS,的速度通過簡(jiǎn)支梁時(shí),各階振型的強(qiáng)迫振動(dòng)方程為:五+m=c0s,sjn=s協(xié)+g)一)(=(式7)式中,為與移動(dòng)速度有關(guān)的第1"1階廣義頻率;為簡(jiǎn)諧力的擾動(dòng)頻率:為簡(jiǎn)支梁的第n階固有頻率.振動(dòng)響應(yīng)方程為:南卜卜警sin丁nRx一(當(dāng)忽略阻尼僅考慮基本振型的共振條件,=(1)I時(shí)將發(fā)生共振,且最大振動(dòng)響應(yīng)將出現(xiàn)在簡(jiǎn)諧力離開橋跨的時(shí)刻,即f=l

8、/v,最大跨中撓度將發(fā)生在sin(ol/v)=1,此時(shí)的振動(dòng)放大因子為:u:2生.q(式9)于移動(dòng)簡(jiǎn)諧力的情況,共振發(fā)生在=q時(shí),振動(dòng)放大閃子將取決于移動(dòng)速度,速度越慢,通過全梁的時(shí)問越長(zhǎng),振動(dòng)響應(yīng)越大.3運(yùn)用ANSYS分析簡(jiǎn)支梁的振動(dòng)響應(yīng)車橋系統(tǒng)的振動(dòng)行為非常復(fù)雜,包括垂直方向和水平方向的振動(dòng),也包括車輛在起動(dòng)與剎車時(shí)對(duì)橋梁的振動(dòng)沖擊作用,簡(jiǎn)單來說車輛對(duì)橋面的作用力和橋梁對(duì)車輛的作用力是一對(duì)作用力和反作用力,它們大小相等,方向相反,通過這一對(duì)作用力和反作用力將車輛和橋梁耦合成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng).由于車輛行駛時(shí),車輛荷載在橋面上的作用點(diǎn)一直都隨時(shí)間變化而變化,所以整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)也是隨時(shí)間的變化而變化

9、的.以下就通過ANSYS一輛汽車勻速通過一單跨橋進(jìn)行位移響應(yīng)分析.由于一般汽車的質(zhì)量比粱的質(zhì)量小很多,此時(shí)可以不考慮移動(dòng)車輛的質(zhì)量慣性力,相當(dāng)于僅考慮其重力作用,將其用一個(gè)移動(dòng)的力P(t)來表示(如圖1),因此對(duì)本分析模型作如下假設(shè):(1)車輛作等速直線運(yùn)動(dòng);(2)車輪和車體均假定為有質(zhì)量的剛體,本身無彈性變形,它們之間相互由彈簧和阻尼器連接;(3)汽車懸架剛度,輪胎剛度為相對(duì)位移的線性函數(shù),懸架阻尼,輪胎阻尼為相對(duì)速度的線性函數(shù);(4)路面位移輸入函數(shù)作用在輪胎與路面接觸點(diǎn)的中心上.P(t)Y圖1作用在簡(jiǎn)支梁上的移動(dòng)力P對(duì)汽車施加于橋的荷載作兩種簡(jiǎn)化假設(shè):一是將移動(dòng)汽車簡(jiǎn)化為無質(zhì)量的勻速移動(dòng)

10、常量力;二是考慮到路面的不平整,汽車的質(zhì)量可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧力.簡(jiǎn)支梁橋的具體參數(shù)如下表:FEAHF,梁彈性摸量泊凇比密梁長(zhǎng)截面積慣性矩粱高車重軸距度06(長(zhǎng)度單位m,力單位kN)使汽車以60km/h的速度過橋,在勻速常量力(橋面平整)和勻速簡(jiǎn)諧力(橋面不平整,激振頻率假設(shè)為10)的分別作用下,跨中節(jié)點(diǎn)的位移圖如下所示:I柚filiil!illllfl'j./il;.簽.再lJ'1.',量J5t囊'圖2勻速常量力作用下的跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間曲線tmWH.-O/,I|j;1,f/jr-/f|jl,II.lIo眶圖3勻速簡(jiǎn)諧力作用下的跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間曲線由圖2和圖3的對(duì)比可

11、知,常量力產(chǎn)生的橋面豎向不規(guī)則程度較小,位移值變化比較穩(wěn)定;簡(jiǎn)諧力產(chǎn)生的橋面豎整度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有較大的影響.許多研究表明車速是一個(gè)影響車橋系統(tǒng)相互作用的重要因素.為了研究車速對(duì)橋梁跨中響應(yīng)的影響,在勻速簡(jiǎn)諧力(激振頻率同為10)狀態(tài)下,分別選用了60km/h,90km/h,120km/h三種種車速進(jìn)行分析,得出跨中節(jié)點(diǎn)位移圖如圖3,4,5.伽翻.'自l,l7llff;l.V缸l'|'t舵圖490Km/h下跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間曲線?'lJl|l,|1.鬟暖圖5120Km/h跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間曲線由計(jì)算結(jié)果可知,60km/h,90km/h,120km/h.種車速下的

12、跨中最大位移分別為0.0167m,0.0177m,0.0221m,大小依次遞增,說明車速越快,汽車對(duì)橋的沖擊作用就越大.對(duì)比三種速度下的位移曲線,可以發(fā)現(xiàn)隨著速度的增加,跨中位移的波動(dòng)頻率減小,可知車速越快,車輛對(duì)橋的振動(dòng)響應(yīng)就越小.除了車速,橋面平整度,汽車的載重和車型對(duì)橋梁的振動(dòng)響應(yīng)的影響也不可忽視.使車重F=7200kN(其他參數(shù)同圖3),位移響應(yīng)分析如圖6所示.眥qlIff'I一,f一,Il|lif,jI.'§饈圖6車重7200KN下跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間曲線ll;illllillllli;I#lil.|l;/囊'通過圖3和圖6的對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)同一一車型,載重

13、的大小與橋梁的振動(dòng)響應(yīng)程度成正比關(guān)系,載重越大,車輛對(duì)橋梁的振動(dòng)影響也就越大.1=5.12m(其他參數(shù)同圖3),位移響應(yīng)分析如圖7所示.通過圖351圖7的對(duì)比發(fā)現(xiàn),在軸距增長(zhǎng)的情況下,跨說明車型越大,車輛對(duì)橋梁的沖擊作用越大,對(duì)橋梁的振動(dòng)響應(yīng)影響越小.4結(jié)束語通過理論分析FIJANSYS有限元模擬驗(yàn)證表明,橋梁的振動(dòng)響應(yīng)不僅與自身結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比有關(guān),而且還整,車速越慢,車型越小,橋梁的振動(dòng)響應(yīng)就越大;車速越快,載重越大,車輛對(duì)橋梁的沖擊作用就越大.綜上分析,在維護(hù)和使用橋梁時(shí),要綜合考慮各種因素對(duì)橋梁振動(dòng)響應(yīng)的影響,在對(duì)車輛進(jìn)行限速時(shí),還要考輛對(duì)橋梁的破壞作用不容忽視,沖擊作用可能造成

14、橋面的早期破壞,加快橋面的使用性能衰減,大大縮短了橋梁的(下轉(zhuǎn)第45頁)41塊:上網(wǎng)時(shí)間設(shè)定模塊,網(wǎng)站過濾模塊軟件,限制IP數(shù)據(jù)塊,功能流程如圖1所示.NO圖1網(wǎng)站過濾模塊3網(wǎng)站過濾模塊的具體實(shí)現(xiàn)采用NAT技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站過濾的基本原理主要是利用"NAT/基本防火墻"提供的專供訪問校園網(wǎng)(外網(wǎng))的接口屬性上做入站篩選設(shè)置.本例相關(guān)的指令格式如表一所示.奄令行由令說明Xetzhr¨tin'iPddt'在指定接口上刪口黯電葺蠹i蠹薯ilttrIotshroutiagi,thotfilter在指定接口上墨示披奄色觥量表1Netsh與本例相關(guān)的指令一覽表入站篩

15、選有兩種方式:接收所有符合下列條件以外的分別為netshroutingipsetfilter本地連接inputforward和netshroutingipsetfi1ter本地連接inputdrop.在Windows系統(tǒng),如果計(jì)算機(jī)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器,則每個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器的"本地連接"圖標(biāo)都將顯示在"網(wǎng)絡(luò)連接"文件夾中.名稱為"本地連接"的網(wǎng)絡(luò)連接指向連上的校園網(wǎng)的那塊網(wǎng)卡.如需要增加IP列表到篩選器列表框中,可以采用如下指令需要和上述指令搭配使用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址為l這個(gè)站點(diǎn)的訪問或者限制訪問.用.同時(shí),引用Micr

16、osoftShel1ControlsandAutomation對(duì)象獲得對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)象的引用.核心代碼如下:SetNetConnection=mShe11.NameSpace(49)'Combo1.AddltemFolderltem.Name'枚舉所有網(wǎng)絡(luò)連接Next運(yùn)行后程序界面如圖2所示:圖2vB實(shí)現(xiàn)NAT入站篩選設(shè)置4結(jié)束語網(wǎng)站過濾作為軟件功能的一個(gè)組成部分,實(shí)際使用過程中,將其做成命令性的方式,加入Windows計(jì)劃任務(wù)組中.根據(jù)學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)間表進(jìn)行定時(shí)的網(wǎng)絡(luò)過濾設(shè)置,需求的不同,對(duì)軟件功能做進(jìn)一步的擴(kuò)充.參考文獻(xiàn):1高春艷,劉彬彬.VisualBasic開發(fā)實(shí)戰(zhàn)寶典M.北京:清華大學(xué)出版社,2010.1.2楊章偉.VisualBasic完全自學(xué)寶典劬.北京:清華大學(xué)出版社.2008.7.京:中國水利水電出版社,2007.9.(上接第41頁)使用壽命,所以還要限制車輛超載.另外,目前對(duì)橋梁的振動(dòng)響應(yīng)的研究主要限于單輛汽車作用,對(duì)于多車輛隨機(jī)組合作用及車輛變向行駛作用下橋梁的振動(dòng)響應(yīng)研究甚少,而且對(duì)于大跨度公路橋梁在汽車車