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    車輛速度對簡支變連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響分析

    2018-07-11 11:51:20鄒寶剛
    山西建筑 2018年16期
    關(guān)鍵詞:車橋梁橋車速

    鄒寶剛 張 碩

    (1.天津市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,天津 300384; 2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401)

    0 引言

    國內(nèi)外學(xué)者對沖擊系數(shù)的研究已取得了相當(dāng)豐富的成果,從計(jì)算方法、模型建立、各個影響因素等方面都做了比較系統(tǒng)的分析。沖擊系數(shù)表達(dá)方面,目前規(guī)范中只用了結(jié)構(gòu)基頻一個參數(shù)來定義。在車輛模型建立方面,大都是采用簡化的彈簧質(zhì)量車模型、兩軸車模型、三軸車模型等等[1-4];車橋耦合分析方面,大多都采用理論推導(dǎo)的車橋耦合系統(tǒng)運(yùn)動方程,通過自編程序進(jìn)行車輛過橋的動力時程分析,計(jì)算過程較為復(fù)雜,得到的結(jié)果也有所差異[5,6]。

    在本文中主要研究車橋耦合振動的一種仿真分析方法,并用于沖擊系數(shù)的影響因素分析。主要通過大型通用有限元軟件ANSYS建立橋梁模型,得到橋梁的動力特性;運(yùn)用新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件UM建立可視化的三維車輛模型。然后運(yùn)用ansys_um.exe接口程序?qū)蛄耗P蛯?dǎo)入到UM軟件中,進(jìn)而在UM軟件中進(jìn)行車橋耦合振動的不同工況分析。這一聯(lián)合仿真模擬可以達(dá)到較好的仿真效果。

    1 車橋耦合動力分析模型建立

    1.1 橋梁模型建立

    本文從《公路橋梁結(jié)構(gòu)上部構(gòu)造系列通用設(shè)計(jì)圖》(2010年版)中選用具有代表性的箱梁截面,按連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)一座橋梁,圖1為橋梁跨中橫斷面圖,表1為橋梁的基本信息。

    主梁類型結(jié)構(gòu)形式跨度/m基頻箱梁橋連續(xù)3×306.8413×355.0813×403.924

    橋梁模型的建立采用有限元軟件ANSYS,材料的彈性模量為34.5 GPa,密度為2 500 kg/m3,泊松比為0.2。選用實(shí)體單元Solid65進(jìn)行模擬,以獲取較高的精度,建模過程使用APDL語言編寫程序?qū)С鰳蛄旱念l率向量和模態(tài)振型矩陣,用于后續(xù)的車橋耦合振動分析。圖2為使用ANSYS建立的部分橋梁模型圖,其他橋梁模型圖不一一列出。

    1.2 車輛模型建立

    為了便于進(jìn)行橋梁沖擊系數(shù)的對比分析,車輛模型的參數(shù)為:Mvr=35 000 kg,KvL=KvR=2.475×104N/m,CvL=CvR=3 502 kN·s/m。運(yùn)用多體動力學(xué)軟件UM中參數(shù)化建模的方法建立車輛模型。建立的車輛模型如圖3所示。

    1.3 車橋耦合振動模型

    車橋耦合振動模型的建立采用UM軟件子系統(tǒng)建模技術(shù),車輛模型建立好以后,可以將其轉(zhuǎn)化為一個子系統(tǒng)(Subsystem),然后在當(dāng)前模型中再添加一個子系統(tǒng),并命名為bridge,通過軟件的柔性體導(dǎo)入向?qū)?Wizard of flexible subsystems)將已經(jīng)轉(zhuǎn)換的橋梁模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行耦合振動分析。

    利用聯(lián)合仿真模型進(jìn)行車輛和橋梁的耦合,建立模型如圖4所示。

    2 車速對連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響

    大量的研究證明車輛行駛速度對車橋耦合振動有一定的影響[7-10],本節(jié)研究車速對連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響,考慮其他條件相同,橋面平整度選擇為一般等級(C),三軸車速度為20 km/h~120 km/h,分別研究連續(xù)梁橋邊跨跨中和中跨跨中的沖擊系數(shù)變化規(guī)律。

    2.1 不同車速下橋梁動力響應(yīng)

    由于連續(xù)梁橋兩個邊跨的位移曲線剛好呈現(xiàn)對稱的形式,所以圖5只列出了3×30 m連續(xù)箱梁橋其中一個邊跨和中跨在不同車速下的位移時程曲線。

    從圖5的位移時程曲線可以看出,由于車橋耦合作用的存在,車輛行駛過程中橋梁位移會出現(xiàn)不斷波動的狀態(tài),在車輛駛離橋梁后,由于阻尼的存在,橋梁仍然出現(xiàn)小幅振動,直至位移為零。邊跨跨中達(dá)到最大動位移時刻和中跨跨中達(dá)到最大動位移時刻不同,且邊跨跨中最大動位移基本大于中跨跨中最大動位移;隨著車速的變化,兩者最大動位移有著明顯的變化,認(rèn)為車速對連續(xù)梁橋的動力響應(yīng)有影響。

    2.2 沖擊系數(shù)計(jì)算

    三軸車以不同速度通過橋梁時沖擊系數(shù)的數(shù)據(jù),為了進(jìn)行直觀的比較分析,將沖擊系數(shù)隨車速變化圖繪制如圖6所示。

    從圖6a)中可以看出,隨著車速的增加,30 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,在車速達(dá)到80 km/h時,沖擊系數(shù)達(dá)到最小值;35 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的往復(fù)變化趨勢,在車速20 km/h時,沖擊系數(shù)為最大值;40 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)也呈現(xiàn)先減小后增大的往復(fù)變化趨勢,在車速20 km/h時,沖擊系數(shù)達(dá)到最大值,車速從100 km/h到120 km/h變化過程中,沖擊系數(shù)減小較緩慢。分析三種不同變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),車速越低在橋上行駛時間越長,橋梁振動比較顯著,高頻波段得到了充分的發(fā)展,沖擊作用較明顯。

    從圖6b)中可以看出,隨著車速的增加,30 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)與邊跨跨中變化一致;35 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,在車速達(dá)到80 km/h時,沖擊系數(shù)達(dá)到最大值;40 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小再增大變化趨勢,在車速達(dá)到120 km/h時,沖擊系數(shù)達(dá)到最大值。分析三種不同變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),由此得到的沖擊系數(shù)和規(guī)范中沖擊系數(shù)和跨徑呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相反,這是因?yàn)橐?guī)范中計(jì)算沖擊系數(shù)只考慮了基頻,沒有考慮由于車橋耦合產(chǎn)生的沖擊作用的影響導(dǎo)致的,進(jìn)一步說明沖擊系數(shù)不僅僅和橋梁基頻有關(guān),和車速也有著很大的關(guān)系。

    3 結(jié)語

    本文主要針對公路橋梁車橋耦合振動的沖擊系數(shù)進(jìn)行了研究,研究中首次運(yùn)用了新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件UM和有限元軟件ANSYS的結(jié)合建立了車橋耦合振動模型,基于車橋耦合振動模型對連續(xù)梁橋進(jìn)行研究,最后分析了車輛速度對沖擊系數(shù)的影響得到了以下結(jié)論:

    1)連續(xù)梁橋車速在20 km/h時比40 km/h~120 km/h時的沖擊系數(shù)大,達(dá)到80 km/h時比100 km/h~120 km/h的沖擊系數(shù)大,在中跨跨中車輛速度在40 km/h左右時比120 km/h左右時的沖擊系數(shù)大,體現(xiàn)了不同的車輛速度使沖擊系數(shù)不同。

    2)連續(xù)梁橋的邊跨跨中沖擊系數(shù)基本都呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢,而中跨跨中的沖擊系數(shù)則呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

    3)連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)大于邊跨跨中的沖擊系數(shù),計(jì)算時以中跨跨中的沖擊系數(shù)為準(zhǔn)。

    4)隨著橋梁跨徑的增加,沖擊系數(shù)逐漸增大,和規(guī)范中沖擊系數(shù)和跨徑呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相反,這是因?yàn)橐?guī)范中計(jì)算沖擊系數(shù)只考慮了基頻,沒有考慮由于車橋耦合產(chǎn)生的沖擊作用的影響導(dǎo)致的,進(jìn)一步說明沖擊系數(shù)不僅僅和橋梁基頻有關(guān),和車速也有著很大的關(guān)系。

    5)在此方法之上可以拓展到多因素對沖擊系數(shù)的影響。

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