桥梁车辆振动与三个因素有关:桥梁动力性能、车辆动力性能和桥面平整度.
桥梁的动力性能与结构体系和构件的材料有关.钢管混凝土拱桥的拱肋为钢管混凝土组合材料,在成桥状时处于压弯剪（扭）复杂荷载作用下.采用统一理论来确定钢管混凝土组合力学参数,考虑钢管混凝土构件截面几何特性,用纤维单元法形成截面切线刚度矩阵,建立3维非线性梁单元来模拟钢管混凝土构件.
车辆的动力性能主要与其悬挂部分和轮胎的质量、弹簧刚度和阻尼有关.对于大跨度桥梁而言,复杂的车辆模型是不必要的,把车辆简化成带弹簧刚度和阻尼的单质量系统,进行桥—车体系振动分析.对于车队荷载下的共振分析而言,车辆的间距、数量以及平均车速也是重要的影响因素.
桥面平整度是满足零均值的稳态高斯随机过程,可以通过路面平整度能量谱密度函数和国际标准协议定义的路面等级状况得到其沿桥梁纵向分布函数.研究表明,桥面平整度对桥梁的车辆振动影响很大,桥面状况越差,桥梁动力响应振动变化幅值越大.
考虑以上三个因素的影响,采用空间有限元法,建立大跨度中承式钢管混凝土拱桥的空间有限元模型,进行模态分析和桥—车体系的振动分析.
模态分析是动力响应分析的基础,通过它可以得到结构的振型和频率,对拱桥的动力性能做出初步评价.根据能量原理推导得出拱桥反对称与对称基频简化计算公式,通过大量计算并得到统计公式,结合依兰牡丹江大桥和其它同类拱桥的有限元计算结果和动力试验结果论证其正确性.并进行了大跨度中承式钢管混凝土拱桥基于动力性能的优化分析.
由钢管混凝土构件的双线性弯矩—曲率滞洄模型建立双线性随动硬化模型,来模拟钢管混凝土在往复荷载作用下的非线性应力应变关系,通过纤维有限元法形成钢管混凝土单元的切线刚度矩阵.考虑几何非线性的影响,进行了大跨度中承式钢管混凝土拱桥非线性动力响应分析,提出以荷载系数来评价结构的动力稳定性.
考虑桥—车相互作用和桥面平整度的影响,一般需建立桥梁和车辆耦合振动方程,由于车辆位置是不断变化的,就需要在求解运动方程时不断更新运动方程的系数矩阵,这样在综合采用Newton-Raphson和Newmark求解运动方程时耗费较多的计算时间.本文提出一种桥—车振动方程求解方法,把车辆的动力性能与桥面平整度对桥梁振动的影响加入到外荷载当中,只需要建立桥梁的有限元模型,从而简化了计算过程.分析表明,桥面平整度对拱桥的动力响应影响很大.
车队荷载下桥梁产生共振的理论因素有车辆高速和车辆荷载重复性作用,实际上只有后者在一定车速下等间距行驶才能引起共振.确定共振产生的条件,提出进行大跨度中承式钢管混凝土拱桥共振分析的理论方法,研究桥面平整度对共振的影响,并对大量不同跨度的大跨度中承式钢管混凝土拱桥进行共振分析,计算得到拱桥动力响应的冲击系数,通过回归得到不同等级桥面状况下冲击系数的简化计算公式.
本论文的研究方法和成果可为大跨度钢管混凝土拱桥的设计、运营管理和评估提供参考.