基于Matlab的下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究

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基于

基于基于

基于 Matlab

MatlabMatlab

Matlab 的下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究

的下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究的下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究

的下承式钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数研究

摘要

摘要摘要

摘要

钢管混凝土以其优良特性在大跨度结构中得到广泛应用，国内外许多学者对其进行

了大量的理论探索和试验研究。钢管混凝土在桥梁上的应用，解决了拱桥在高强度材料

和施工技术方面的两大难题，使得拱桥结构更加轻巧，给拱桥的发展注入了新的活力。

但是，由于现行的设计规范对钢管混凝土的冲击性能未能给出专门的规定，这样在桥梁

的设计过程中仍采用公路桥规、按基频给定的冲击系数，这是否合适，需进一步研究确

定。本文针对这些问题展开了钢管混凝土系杆拱桥的车桥耦合振动响应及冲击系数方面

的研究。

本文首先推导了目前研究公路桥梁车桥耦合振动响应的几种常用车辆模型；将桥面

不平度视为符合一定路面功率谱密度函数的静态随机过程，利用三角级数叠加法和快速

傅立叶逆变换法模拟了 A、B、C 级路面不平顺。

以泰兴滨江大桥为例，根据下承式钢管混凝土系杆拱桥的结构特点，采用大型通用

有限元软件 ANSYS 对该桥进行有限元离散。采用梁单元 beam4 模拟钢管混凝土拱肋（内

部混凝土及外部钢管）、系杆及横梁等构件，用杆单元 link8 模拟吊杆，用壳单元 shell63

模拟桥面铺装层，用实体单元 solid45 模拟桥面系的预制空心板部分，建立了系杆拱桥

的空间计算的有限元模型，进行模态分析，得到各阶自振频率及振型。建立四分之一车

辆模型作用下的拱桥车桥耦合振动模型，并利用 MATLAB 语言编制程序，分析了移动车

辆荷载作用下下承式钢管混凝土系杆拱桥的响应，系统地得到了该桥在不同车速，不同

车道，不同阻尼，不同路况的振动响应等力学性能。

根据数值模拟计算的钢管混凝土系杆拱桥的冲击系数，分析了影响系杆拱桥冲击系

数的多种因素；通过与各国规范和学者对钢管混凝土拱桥的冲击系数研究的对比，确定

了目前我国公路桥梁设计规范对冲击系数规定的可行性。本文所得出的主要结论和有关

研究成果可为大跨度钢管混凝土系杆拱桥设计时的冲击系数取值，研究车辆对系杆拱桥

的冲击性能和后期桥梁养护确定荷载效应分析提供参考。

关键词

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：钢管混凝土系杆拱，车桥耦合作用，有限元模型, 数值分析，动力响应，冲击

系数

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第一章绪论 ........................................................... 1

1.1 课题的来源 ...................................................... 1

1.2 课题背景及研究意义 .............................................. 1

1.2.1 拱桥的发展 ................................................ 1

1.2.2 钢管混凝土拱桥动力特性研究的意义 .......................... 2

1.3 车桥耦合振动研究历史 ............................................ 2

1.4 钢管混凝土拱桥动力特性及车桥耦合振动研究现状 .................... 3

1.4.1 钢管混凝土拱桥动力特性的研究现状 .......................... 3

1.4.2 车桥耦合振动研究现状 ...................................... 3

1.5 车桥耦合振动主要求解方法 ........................................ 6

1.6 本文主要工作 .................................................... 6

第二章车辆振动简化模型的建立及分析 ................................... 8

2.1 引言 ........................................................... 8

2.2 移动车轮加簧上质量车桥耦合振动模型 ............................. 8

2.3 四分之一车辆车桥耦合振动模型 .................................. 10

2.4 二分之一（三轴）车辆模型 ...................................... 11

2.5 整车车辆模型 .................................................. 12

2.6 本章小结 ...................................................... 16

第三章桥面不平顺的模拟分析 .......................................... 17

3.1 路面不平度表示方法 ............................................ 17

3.2 路面不平度模型建立 ............................................ 18

3.2.1 路面不平度傅立叶逆变换路面模型建立 ....................... 18

3.2.2 路面不平度谐波叠加法模型建立 ............................. 20

3.3 谐波叠加法模拟路面不平度实例分析 .............................. 21

3.4 本章小结 ...................................................... 22

第四章钢管混凝土系杆拱桥模型建立及动力特性分析 ...................... 23

4.1 工程概况 ....................................................... 23

4.2 ANSYS 模型建立 ................................................. 24

4.2.1 模型单元划分 ............................................. 24

4.2.2 拱肋的处理 ............................................... 25

4.2.3 桥身的处理 ............................................... 26

4.2.4 吊杆及系杆部分的处理 ..................................... 26

4.2.5 约束处理 ................................................. 27

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