三塔钢箱—钢桁叠合梁斜拉桥车桥系统耦合振动研究.docx

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摘要：
本文研究了三塔钢箱斜拉桥车桥系统的耦合振动问题。首先对三塔钢箱斜拉桥车桥系统进行了建模，分析了桥梁的自振频率和车辆的振动频率之间的耦合关系，确定了系统的振动特征。接着使用有限元方法对钢桁梁和钢箱进行了模拟分析，得出了结构的动态响应和振动频率响应函数，进一步探讨了诸如桥面横向位移、车速、桥面不平度和车辆悬架特性等因素对耦合振动的影响，并提出了相应的控制策略。研究结果表明，三塔钢箱斜拉桥车桥系统具有复杂的多自由度耦合振动特性，需要控制多个因素才能消除系统的振动干扰。
关键词：三塔钢箱；斜拉桥；车桥系统；耦合振动；有限元方法；动态响应；振动频率响应函数；控制策略
一、引言
钢箱斜拉桥是一种重要的桥梁类型，具有结构简单、刚度大、自重轻等优点，在跨越较大跨径和复杂地形条件下得到了广泛的应用。随着社会经济的发展和汽车保有量的增加，车桥-桥梁系统的耦合振动问题引起了越来越多的关注。车桥和桥梁之间会产生相互作用，导致系统共振或不稳定，进而影响行车安全和路面舒适性。因此，对车桥-桥梁系统的耦合振动进行研究，对于保障行车安全和提高路面舒适性具有重要意义。
本文以三塔钢箱斜拉桥为例，对车桥-桥梁系统的耦合振动进行了研究。首先对系统进行了建模，分析了各种影响因素对振动特性的影响，然后利用有限元方法进行了模拟分析，得到了结构的动态响应和振动频率响应函数，并提出了相应的控制策略，最后进行了结论和总结。
二、系统建模
（一）桥梁模型
三塔钢箱斜拉桥是一种典型的悬索桥结构，由铅锤、索带、主梁、斜拉索和塔体等构成，如图1所示。
图1 三塔钢箱斜拉桥结构
在建模过程中，采用了简化的离散模型，即将桥面离散化为多个节点，用刚性梁连接，如图2所示。节点处的位移和转角可以用相邻两个节点之间的距离和角度表示。此外，考虑到斜拉桥结构的对称性，在模型中只考虑了一侧的结构和加载。
图2 桥梁简化离散模型
（二）车辆模型
本文采用了标准车辆模型，在车辆悬架系统中考虑了轮胎、悬架弹簧和减震器等元件。以四驱车为例，其模型如图3所示。
图3 标准车辆模型
（三）耦合振动分析
对于车桥-桥梁系统的耦合振动问题，需要分析车辆和桥梁的自振频率之间的耦合关系。车辆在行驶时，其悬架系统会受到道路不平度的干扰，产生弹性变形，转化为车辆振动。而桥梁在行车荷载作用下也会发生振动，形成自振频率。当车辆的振动频率和桥梁的自振频率很接近时，两者就会发生耦合振动，产生严重的共振现象。因此，在模型分析中需要考虑到车辆和桥梁的自振频率，并对其耦合振动进行分析。
三、模拟分析
（一）有限元方法
有限元方法是一种常用的结构分析方法，可以对结构的动态响应进行模拟分析，得出结构的振动频率响应函数。在本文中，采用ANSYS有限元软件进行了模拟分析。
（二）动态响应和振动频率响应函数
本文进行了结构的动态响应分析，得到了各个节点的位移和转角随时间的变化曲线。同时，通过频率响应函数的分析，得出了结构的振动频率响应，如图4所示。
图4 结构的振动频率响应
（三）影响因素分析和控制策略
桥面横向位移、车速、桥面不平度和车辆悬架特性等因素都会对车桥-桥梁系统的耦合振动产生影响。在分析中，采用了模态叠加法和位移响应法对这些影响因素进行了探讨，并提出了相应的控制策略，如减少桥面横向位移、降低车速以及改善车辆悬架特性等措施。
四、结论与展望
本文对三塔钢箱斜拉桥车桥系统的耦合振动进行了研究，采用了有限元方法对系统进行了模拟分析，得到了结构的动态响应和振动频率响应函数。通过分析影响因素和提出控制策略，得出了消除系统振动干扰的方案。但是，本文的研究仅仅是一个初步的探索，有待于进一步完善。未来的研究方向可以包括探索更多的影响因素和优化控制策略，以及进行实际工程实验验证等。