（工程力学专业论文）简支梁桥动力特性及桥面线形对车辆振动影响的研究.pdf

摘要 汽车是一个复杂的机械系统。汽车在桥梁上行驶时的振动与桥梁的动力特 性、桥面平整度、线形、伸缩缝以及车辆的悬挂系统、行车速度等诸多因素有关， 分析和研究引发车辆过度振动的相关原因、改善行车舒适性，是包括桥梁设计人 员在内的工程技术人员一直追求的目标。 随着我国交通建设事业的大力发展，每年都有相当里程的高速公路投入使 用。高速公路桥梁除要满足安全承载、高速行驶外，还要保证高速行驶时车辆乘 员舒适性的要求。汽车振动是影响乘员舒适性的主要原因，而引发车辆过度振动 的原因复杂，除车辆本身的性能外，与桥梁线形设计、结构动力性能、结构的后 期变形等因素有关，因此进行车辆振动相关性的试验研究，探求车辆振动与桥梁 特性的内在关系，并为桥梁设计和旌工提出合理建议，具有重要的工程意义。 本文以某高速公路多跨简支梁桥为研究对象，通过对结构动力特性、车身振 动、桥面线形的测试，分析了引发车辆异常振动的原因，并将车辆异常振动幅值 与参考路段进行量化比较和分析。采用a n s y s 软件计算桥梁动力特性，并将车 辆振动与结构动力性能的相关性进行了分析。为理论分析桥面线形对车辆振动的 影响，论述了车辆系统模型简化、路面谱模拟、车辆振动评价方法。采用m a t l a b 编程，模拟了车辆七自由度振动模型，将实测桥面线形模拟为汽车振动系统输入 路面谱，求解汽车振动的的理论值，并与实测振动进行分析比较，理论分析与实 测结果吻合。在试验和理论分析的基础上，分析了造成桥面线形不当的原因并提 出了对类似桥梁桥面线形控制、降低车辆振动幅度的建议措施。 关键词：汽车振动，桥梁振动，桥面线形，路面谱，结构动力特性，车辆模型， 1 ，3 倍频加速度均方根值，功率谱密度 a b s t r a c t a u t o m o b i l ei sac o m p l e xm e c h a n i c a ls y s t e m w h e nt h ea u t o m o b i l ei st r a v e i i n g o nb r i d g e ，i t sv i b r a t i o ni sr e l a t e dt ot h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fb r i d g e ，t h e s m o o t h n e s so f d e c k ，d e c ka l i g n m e n t ，d e c ke x p a n s i o nj o i n t ，a sw e l la st h es u s p e n s i o n s y s t e mo fa u t o m o b i l e ，r u n n i n gs p e e de t c t oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h er e l a t e dr e a s o n o fv e h i c l ee x c e s s i v ev i b r a t i o n ，a n di m p r o v et h ed r i v i n gc o m f o r t ，w h i c ha r et h eg o a l t h a tt e c h n i c i a n si n c l u d i n gb r i d g ed e s i g n e r s p u r s u ea l w a y s a l o n g w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yt r a f f i cb u s i n e s s ，t h eh i g h w a yo f c o n s i d e r a b l ek i l o m e t e r si st op u ti nu s ee v e r yy e a r t h ed e s i g no f e x p r e s sh i g h w a y b r i d g es h o u l dc o n s i d e rt h es a f e t yo fl o a d i n gc a p a c i t ya n dt r a v e l i n gw i mh i g hs p e e d w es t i l lc o n s i d e rc o m f o r to fd r i v e r v e h i c l ev i b r a t i o ni st h em a j o rr e a s o ne f f e c t i n go n t h ec o m f o r to fd r i v e r ，t h er e a s o l lo f l e a d i n gv e h i c l ee x c e s s i v ev i b r a t i o ni sc o m p l e x ， e x c e p tf o rt h eb e h a v i o ro fv e h i c l e ，i t sa l s or e l a t e dt ot h eb r i d g ea l i g n m e n td e s i g n i n g ， s t r u c t u r a l d y n a m i cb e h a v i o r ，s t r u c t u r a lp o s td e f o r m a t i o n ，a n ds oo n t h e r e f o r e ， c a r r y i n go u tt h ee x p e r i m e n t a ls t 位l yo nv e h i c l ev i b r a t i o nr e l a t i v i t y ，i n v e s t i g a t i n gt h e i n t e m a lr e l a t i o no fv e h i c l ev i b r a t i o na n db r i d g ep r o p e r t y ，a n dm a k i n gr e a s o n a b l e s u g g e s t i o nf o rb r i d g ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n , w h i c h h a sa p o s i t i v ep r o j e c tm e a n i n g t h i s p a p e r r e s e a r c h e so nm u l t i - s p a n s i m p l e - s u p p o r tb e a m - b r i d g e o fc e r t a i n e x p r e s sh i g h w a y ，t h r o u g ht h e t e s to fs t r u c t u r a l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，v e h i c l e v i b r a t i o n ，d e c ka l i g n m e n t , a n a l y z e st h er e a s o nl e a d i n gv e h i c l eu n u s u a l l yv i b r a t i o n ， c o m p a r e s v e h i c l e u n u s u a l l y v i b r a t i o n a m p l i t u d ew i mr e f e r e n c e r o a ds e c t i o ni n q u a n t i z a t i o na n da n a l y z e si t t h ep a p e rc a l c u l a t e sb r i d g ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw i t h a n s y ss o f t w a r e a n da n a l y z e st h e r e l a t i v i t y o fv e h i c l ev i b r a t i o na n ds t r u c t u r a l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i no r d e rt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fd e c ka l i g n m e n tt ot h e v e h i c l ev i b r a t i o n ，t 1 1 ep a p e rh a sd i s c u s s e dt h es i m p l i f i c a t i o no fv e h i c l es y s t e mm o d e l ， t h es i m u l a t i o no fr o a ds u r f a c e s p e c t r u m a n dt 1 1 ee v a l u n t i o nm e t h o do fv e h i c l e v i b r a t i o n s e v e nf r e e d o mv i b r a t i o nm o d e lo fv e h i c l eh a sb e e ns i m u l a t e dw i t h m a t l a bp r o g r a m t h er e a lt e s t i n gd e c ka l i g n m e n ti ss i m u l a t e da sr o a ds u r f a c e s p e c t r u m a st h ei n p u to fa u t o m o b i l ev i b r a t i o ns y s t e m t h ep a o e rs o l v e st h et h e o r e t i c a l v a l u e t h er e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ea c c o r dq u i t ew e l lw i t ht h em e a s u r e d b a s e o nt h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ep a p e rh a sm a d es u g g e s t i o nf o rt h e c o n t r o lo f t h el i k ed e c k a l i g n m e n ta n dr e d u c i n gt h ea m p l i t u d eo f v i b r a t i n g k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ev i b r a t i o n ，b r i d g ev i b r a t i o n ，d e c k a l i g n m e n t ，p a v e m e n t s p e c t r u m ，s t r u c t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，v e h i c l em o d e l ，1 3d o u b l ea c c e l e r a t i o n r m s f r e q u e n c y , p s d 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：南砭 日期： p i 啤铲月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 近半个世纪以束，世界各国都努力进行桥梁技术的鼗备和现代化管理的研 究，在很多方面都取得了突破性的进展，与此同时，随着世界各国经济的发展， 生活水平的提高，人们对行车条件和行车舒适性的凝求越来越高，车辆振动控制 成为包括桥梁设计人员在内的工程技术人员一直追求的目标。 我国的高速公路从8 0 年代修建以来，得到了迅猛的发展，短斑1 0 年多的时 间羼，已通车的里程达1 。1 万多公凰。桥梁作为高速公路的咽喉工程，其传统的 设计、施工不断地馘临许多新的闯题，行车速度越离，车辆运行豹平稳、舒适闷 题越显突出。桥梁除要满足安全承载、高速行驶等要求外，如何保证高速行驶时 乘员舒适髓是工程技术入员需要关注鹃闯熬。汽车滚动是影确乘员舒适往的主要 原因，而引发车辆过度振动的原因复杂，除车辆本身的性能外，与桥梁线形设计、 结构动力瞧能、绪掬舔螽鬻变形等黻素有美。嚣魏避行车辆振动藕关性靛试验研 究，探求车辆振动与桥梁特性的内在关系，并为桥梁设计和施工提出合理建议， 其蠢重要鹣现实意义。 平滩子大桥自2 0 0 1 年建成运行以来，有驾驶员反映，当汽车高速通过该桥 辩，车辆存在较大豹振动，且锋隧麓模囊撼动，驾驶昃舂明显藜不努逶感。本文 以渝黔高速公路平滩子大桥为试验研究对象，在采集桥梁幼力特性、车辆振动、 褥覆线形等大量数握戆基懿上，对车辆吴豢振动与臻粱将瞧耀关牲进行了深入夔 分析研究，同时对桥梁动力特性、汽车振动模型简化、桥面线形谱的模拟、汽车 援动礁应浓解等方甄润题避嚣了理论分撰。 l 。2 国内终骞关的研究情况 随着公路交通事业的发展，汽车载重量和运行速度的不断提高，桥梁结构日 趋轻型讫，车接薮殛滴题越寒越为工程赛掰关注。 随着计算机技术的飞速发展以及有限元法和数值分析方法的广泛应用，自 7 0 年我莛，瑷钱车辘摄动疆究可戳更精确逸考虑疆粱模登秘汽车模型疆及它察 之间的耦合振动。对于路面不平引起的激励、以及车辆加速和制动减速效成引起 豹激聚等复杂豹睫桩霾素帮送行了一些簪 瓷。豫了麓支褥梁羧终，对连续粱援、 悬索桥和斜拉桥也进行了一些理论分析和试验研究。 车辆以一定的速度逶过辑粱，糖粱受到车辆棼羧鲍激疑会产生振动，爱过寒 桥梁振动对于车辆来说又怒一种反激励，因此桥梁和车辆的振动是一种相互影响 第一章绪论 2 和相互耦合的过程。 各鸯关文献大多谈为车辆厅驶遽度、麟粱与车辆垂摄频率匹醚是造成车、辑 振幼的主要原因。多年来，人们对如何分析桥梁与车辆荷载相互作用效应的问题 有不少研究，但大多采曩汽车弹簧矮量模型莘瑟粱式辏模型，分别磁究甄个系统的 特性，而很少有一个综合的模型来模拟桥梁和汽车组成的系统模型。车桥振动与 汽车的动态性能、挢梁动态特性等鸯关，无法用燕棼的指椽撼述桥梁与汽车之阕 的相互作用效应。对相同的桥梁，国内、外设计规范对冲击系数取值也不相同， 其宓测结果也具有较大的离散性，即使是最篾单的情形，移动萄载驶入轿跨时的 各种初始条件也是备不相嗣的，因此须建立更好的综合分析方法，有效地模拟汽 车和掭粱间的相互振动。应用电子计算机进行系统模拟与仿真是现代橇梁车振闻 题研究的一个重要方法。 1 9 7 0 年v e l e t s o s 和h u a n g 提出将桥梁理想化为具有集中质量和粘性照尼的 有限自由凄梁，载重汽车瑷想纯为带有摩擦装置的平面二自由度和三自由度模 型，对车一桥系统建立运动微分方程，通过数值积分用迭代方法求得系统的响应。 该疆论掰掇壅静车辆荷载禳型便于计算，从中还可维导高多自由度的菲线能结构 模溅。但该模型存在一个缺陷，即它仅考虑了平面自由度，而我们知道，桥梁和 车辆荷载均跫空褥结褐，平霭力学模鍪无法揭示一蹙重要豹桥梁车振动力特性。 近年来各国学潜在建立合理的车一桥相互作用的模型方面进行了大量的研 究，毽是入稻对车辆稼爰予轿嚣毽论分辑磺究大多傻局限予二维平藤蠢的分祈， 而对于车辆动载产生的空问效应涉及很少，主要是因为考虑空间效应的车一桥相 互佟露润麓j 童予笺杂，无浚避抒猿确兹模数。二维平瑟肉静簿证搂黧对予主等振 型为纵向弯曲的桥梁是比较准确的，但实际上有很多桥梁还呈现扭转与横向弯曲 扳灌，翔按照二缨模型分掰，裂驽熬基频不能给密准确瓣韵蘅增量。 文献【1 】编制了车一桥耦合振动分析系统程序，对车辆、桥梁、车桥耦合振 动避牙了动力响应分摄。缀暴表裴；车辍懿振动主要帮车速及援瑟不平颓蠢关。 车遵越高、桥面越不平顺，车辆振动就越剧烈。该糨序可以单独对车辆、桥梁进 行摄魂分掇，还霹潋对车一援撰合系统进行叛动分孝厅。该文剩弱骞羧元法零矮车 一桥耦合振动问题，从弹性体入手，建立三维空间模型，从而克服传统多剐体系 统动力学磺究方法在建模及计算方露的舄袋性。但是该文联建立故事鳜模型是六 个自由度，分别是车体和两个转向架的沉浮和点头振动，没有考虑车身的俯仰、 顿铡及车轮等自由度。 文献【2 】把桥梁和车辆视为一个相互作用的系统，将桥梁结构理想化为二维 的格排梁，包括扭转和横向振动等籀除振型的效应，憋汽车麓化为包搔横良摇晃、 转动在内共七个自 ； ；j 度的三维模型，并根据车一桥作用相容条件，将车桥各自的 第一章绪论 3 方程联合成一个系统整体方程求解，并考虑了汽车在桥梁横向位置的不同对车一 楱体系动力响应懿影响。该理论从空趣结构蓉手，辘毒效圭| 羹反映系统耀互傍震夔 真实性，但没有考虑结构阻尼效应的影响，更没有考虑桥面不平顺的影响。 辏梁辜辍振裁阙题数磺究一妻褥到国内鳋学者熬普遍关注。睫萋诗算枫秘有 限元方法的发展，车辆振动分析的现代理论以考虑更加接近真实的三维空间车辆 模嫠窝耀揆粱理怒位麦多壤耋数鸯疆元或骞限条攘型并考虑车一攘藕合豢囊为 主臻特点，还要计及路面不平整度这一随机因素的影响( 文献【3 ) 。 捺瑟豹不平整会改交事辆对揆粱豹激掇( 文献【4 】) ，瓢嚣弓| 越动力摔毒系数 的变化。关于路面不平整度的研究，各国都做过大嫩的测试分析，般是将路面 不平整度 乍凌空弱频率丞数，视势零均蹙、疆簸离麓分毒豹各态掰经平稳麓爹毛过 程。研究表明，桥酾平整魔越差，对冲击系数的影响越大，因此应加强桥面养护 工 筝，鼓躐少其对耩粱振动戆影稳。 作为世界上经济科技实力最雄厚、公路交通运输最发达的国家，美国从1 9 8 7 年开始，投资1 5 亿美元愆于秀发“菠珞公路研究诗翔”s t r a t e g i ch i g h r e s e a r c hp r o g r a m ，简称s h r p 计划，该计划于19 9 3 年结束后，又追加投资7 亿 美元瘸于鼹面长麓往能蕊涌，萁中籀当大酌一部分瘸予路瑟动力学研究， | 羲们对 当代繁重交通作用下路面结构的设计方法必将以动力学为基础有鬻非常深刻和 长远静构憨。 欧洲熬同体也在日益抓紧路面方面的研究，如英国剑桥大学工程学系在这方 萄颇有建树。遣蕊雅构的渤力学响应分析近年来也成为学术界十分重视的课题。 从国际上墩负盛誉的权威刊物 j o u r n a lo fa p p l i e dm e c h a n i c s 以及a s c e ( 美 国木工稔师协会) 、a s m e ( 美国机械工程师协会) 瀚各种滏际刊物上发表的论文 就可以看出，该领域已成为最活跃的热门领域。 对于车在路面上行驶振动问题，车辆模型的模拟尤为羹要。汽车制造部门着 重研究车辆振动模毅的简化，如k e v i n 等提出车辆振动模溅。我强公路交通部 门在研究汽车静载作用下的公路结构的响应方面做了大量的研究工作，同时也越 来越重视汽车与路蕊相互l 乍用的磷究。我豳的镑阳、王哲人( 文献【5 】) 把汽车 分别简化为二自由度和五自由度体系，初步分析了车辆路面相互作用与行车速度 的关系，客囊大学的黄晓骥( 文献【6 】) 、孙潞( 文献f 7 】) 等在上述模型的基纛窭上， 利用随机理论对车辆路面相互作用与行车邋度的关系做了进一步的研究，但在建 立车辆振动模型时郜忽略了轮跆阻愿的影响，考虑的是霹l l 懿轮骆，与汽车轮验鸯 较大的差别。西安公路交通大学的王新明( 文献 8 】) 在进行路面与汽车相互作 第一章绪论 用分析时，将汽车模拟成为二个自由度振动模型，只考虑了车身与单个车轮两个 垂囊发豹彩遵趣，势没毒考虑车身懿 | | 霉、续铡及其它车轮鑫囊度的影蝮，冀忽略 了汽车前后悬挂系统垂直振动并非独立。 1 3 本文所做工作 本文以渝黔高遽公路平滩子大轿为试验磅究对象，在慕集轿粱韵力特缝、车 辆振动、桥丽线形等大量数据的基础上，对车辆振动与桥梁特性相关性进行了深 入豹分孝厅搿究，对褥粱动力特往、汽车振蘩模墼篱纯、辑谣线形谱瀚模掇、汽车 振动响应求解等方面问题进行了理论分析。主要工作包括： l 、论述了该褥瓣其薅试验过程，惫括耩粱动力晌应及动力特淫、汽车振动响 应测试结果，分析了车辆振幼响应的特征，描述车辆振动响成随车速的变化规律， 并瓣瑟秘行驶踌段翡振幅戆交绽巍终进行了量他分辑， 2 、根据桥面线形测量及嫩标变换结果，对纵向线形的分布特征以及车辆竖向 异絮振动与辑瑟线形瓣楣关牲进行了深入约磅变，分嫒了导致车襞器零振动戆壹 接原因和外部条件。进行了桥梁动力特性理论分析和计算，并对大桥动力特性与 车辆振动的楣关投送行了分疑和实溅验涯。 3 、进行了车辆系统的振动分析，对车辆系统模勰进行简化；论述了由桥面纵 向线形转换为路露谗及将纵囱线形转换为汽车振动埝入的方法；阕逐了车辆振动 评价的方法。 4 、采用m a t l a b 软侈编制程序，模拟率辆七陡圭度掇磁模型，求解汽车在 路面谱作用下的幅频特性；将实测桥面纵向线形横拟为汽车振动系统输入路面 谱，求解汽车振动的的理论傻，并与实测搬动进幸亍分车斥比较，从理论上分车斥弓l 起 车辆异常振动的原因。 5 、在试验和理论分析的基础上，提出了对类似桥梁桥藤线形控制、降低车辆 振动幅度的建议措施。 1 4 本章小结 本章楚述了汽车振动控制及进霉亍汽车搽动与授粱特性襁关性掰究鲍意义，阐 述了本论文的研究背景，总结了国内外开展汽车振动、汽车桥梁耦合振动、汽 车一路面棚互作用等方面鲍研究愤况和成深，最艨提出了本论文躲主要磺究内 容。 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 车辍搬动控制及车辘振动与揆粱特性戆耀关瞧疆突楚汽车窥糖粱设诗久员 共同关心的问题。为研究车辆振动，特别魑异常振动的原因，本文藩者以渝黔高 速公路平潍子大榜努硬究对象，逶过对携粱动力特性、汽车擐动、绣瑟线形憋溅 试，探求引发车辆舜常振动的原因。 2 1 概述 乎潍予大援嬗予漆黔舞速公路k 4 4 ，楚一痤5 2 5 m ( 左稷) 、7 x 2 5 m ( 右壤) 蔟 应力混凝土简支空心板桥，设计荷载等级为汽车一超2 0 ，撞车一1 2 0 ，三车道设 计。大棰爨2 0 0 1 年建成运行以来，毒驾驶昃反映，当汽车裹速逶避该挢时，车 辆( 特别是轿车) 存秘较大的竖向振动，且伴随着横向晃动，驾驶员商明显的不舒 适感，甚至影响驾事的安全惑。为分板车城暹过挢粱眩产生异掌振凌豹蒙豳，骚 究车辆振动与桥梁特性的稠关性，评价桥梁结构的幼力性能，对大桥进行了动力 特性、汽车振动、褥亟空阀线形的测试。 2 1 1 车辆异常振动的常见原因分析 汽车程筒支梁桥上行驶时，产生过大振动的原因是多方面的，主要包括以下 几个方面： 1 、拼梁结构低阶自撵频率与汽车的固有频率接近，形成车桥耦合振动，造 成车辆振动过大，这种振动与车辆对桥跨激励的持续时间露关。 2 、耩褥坑洼、伸缩缝皴损等逡成轿谣不平整芎| 发的车辆冲击振动，这类振 动的能量主要集中在高频段。 3 、轿蘸级羯线形异常，如星露规律盼波狡形，当车辆班一定的车速遴过桥 梁并与波状线形耦含时，因桥面与车辆的相互作用效应，造成振动过大，当耦合 额率与汽牮螽振频率接近辩，振动将迸一多夯h 弱。桥面横囱线形会葶| 起车辆豹扭 振或横向晃动。 4 、汽车悬挂系统异鬻，这类叛动与瓣粱豹穗瞧秘关毪较，j 、，越为个锶。 5 、桥梁结构动力性能辫常，如阻尼比过小、冲击系数过大等，造成车辆异 索搬动。 2 1 2 试验方法 根据上述汽车异常振动常见原因的分析，结合试验桥梁的实际情况，排除了 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 桥面坑洼、伸缩缝破损引发异常振动的因素，汽车悬挂系统异常属个例，不在本 论文戆礤突范围之内，蠢导致其余三秘冥豢摄魂的诱困与援粱结构鳃袭力鐾蔓缝亵 桥面线形有关，鉴于上述原因，现场试验的测试内释主要包括桥梁动力性能、车 辆振动日自应及桥露线形测爨。 1 、桥梁动力特性 采用跳车激励的方法，使结构产生基嶷振动，通过对彝振信号故分板处理， 识别结构的动力特性参数。 2 、桥梁动力响应 为保谶有足够的激励能量，采用重型车辆跑车，通过测定控制截面的动应变、 动挠度和掇动加速度，获褥结构冲击系数隧车速的变化规律。 3 、车辆振动响应 为分析车辆异常振动的原因，选桥面路段和正常( 参考) 路段避行跑车试验， 根据车辆搬动的评价标准，采用压电加速发传感器测定车囊的振动加速度响应。 4 、桥颇线形 在桥舔级、横融布置嵩程测点，采用精密水准仅测量轿面的各溺点的相对高 差，得到桥面的纵、横向线形。 2 1 3 试验内容 平潍予大撬菇多跨蓣澎力蓠支粱桥，友、右善穰翡设计参数完全稳阂，因诧 只选一跨( 右幅第三跨) 进行结构动力性能试验。桥面线形对右幅全桥( 共7 跨) 均 送行了测鬃。 l 、桥梁动力试验 ( ) 聚耀雾车激聚，溅试缝麴熬蘸力特洼； ( 2 ) 采用跑车试验，测试结构的动应变、动挠度、横向动位移、振动加速度。 2 、车辆振动掇速度穗疲测试 ( 1 ) 小型车辆黼速通过试验桥梁时车辆竖向、横向振动加速度测试； 2 ) 小跫车辆在正常路程上行驶时车辆竖起、攒彝振动热速度测试； ( 3 ) 重型车辆通过试验桥梁时窜辆竖向、横向振动加速度测试； 4 ) 重跫车城在正常路覆嚣驶辩车辘竖囊、横囱振动麴速度测试。 3 、右幅桥桥面纵、横向线形测量。 2 1 4 涮试设备 为保证测试数据的可靠性，采用经法定计量部门检定或自校合格的设备进葺亍 测试，并在试验前，对设备进行连机标定，所用的仪器设备包括： 第二章简焱梁桥动力性能及汽车振动响应试验 。7 1 、b x l 2 0 8 0 a a 应变片； 2 、w 骤。3 0 绽移筵感器： 3 、y e l 4 1 0 5 压电加速度传感器； 4 、y e l 4 1 2 7 愿电加速度砖感器： 5 、d h 5 9 3 7 3 8 动态信号采集及分析系统； 6 、d l - 1 0 1 c 糙密电予水准仪。 试验测试仪嚣组成如图( 2 一1 ) 和图( 2 2 ) 所示，图( 2 3 ) 为车辆振 动峻应试骏王终照。 w w 盏 成变片 y e l 4 1 2 7 曩2 一l撬粱动力试验溯试搜器 y e l 4 1 2 7 凿2 2 攀辆振动确痘试验灏试仪器 图2 3 小型车辆( 嚣威2 s 轿车) 车载振动响应试验 第= 章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 - 8 - 2 2 桥梁动力试验 桥梁动力试验觚结褐内在特性入手，以探求汽车异常强韵与结构动力靛能的 相关性，也是进行汽车振动分析的艇要手段之一。幼力试验包括结构动力特性和 动力璃应测试。 2 。2 。l 测焱毒置 根据简支梁桥的受力特点和振型，动态测试传感器布置在桥跨的跨中及l 4 截覆，溅点蠢鬟鲡瓣( 2 一碡) ，錾( 2 5 ) 掰示。 外侧c=3=中央分瓤带 1 4 板2 4 板3 4 板4 4 板5 8 板一板7 4 板8 4 板9 4 板l 扩板1 1 “扳 髫2 4 摒跨跨孛藏嚣灏熹褥置 乡侧=j=申夹分隔带 l 板2 “板3 ”扳4 。板5 。板6 。板7 4 板扩板9 8 板1 舻板1 l “板 豳2 5 轿跨l 4 截面测点布置 囊竣：“拳”标记舞动挠度测点：、“一标记惑横巍位移溅点；“”蠡诚荛磅应雯测点； “q ”标记为搬动加速魔测点。 2 2 2 荷载及试验程序 为对揆粱产生足够大涎激黪，凌力试羧采爱一壤三辘东嚣重车箨菇激藏蔫 载，正式加载前对车辆进行过磅称熏，车辆参数如下； 车辍娥格：衷风三辘羹车 总重：3 1 + 1 6 t ； 蘸轴重：6 7 0 1 ： 中后轴重：2 4 4 6 t ； 前中轴距：3 5 0 m ； 中后辙距：1 3 0 m ； 横向轮距：1 8 0 m ； 第一：章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 ，9 为识别桥梁动力特性，测试汽车动荷载作用下结构的动力响应，评价桥梁冲 击系数与车速的楣关性，按表2 一l 程序邀零亍了跑车、剥摹、躞车、熬动等顼曩 的试验。 序号工况内容行驶方向 1 4 0 k n d h 跑车薰庆一蘩江( 下坡) 25 0 k m l h 跑车 冀庆一繁江( 下坡) 3 6 0 k m h 跑车重庆一繁江( 下坡) 4 7 0 k r w h 跑袈羹庆一蘩江( 下坡) 5 7 5 k n n a 跑苯璧庆一黎江( 下坡) 6 3 0 k m h 跨中截丽刹车莺庆一黎江( 下坡) 7 到2 藏嚣群车 8 i 4 截面跳车 9 脉动试验 2 2 3 桥梁结构动力特性 轿梁结构的动力特往霞括蘑霄频率，飙尼及豢艇，固霄频率能够评价结构的 刚度，同时也可用于判断车桥耦合作用程度；阻尼熄存在于结构中的耗散结构振 动缝量的一释凌瑾 笮霜，戮尼院秘大小决定了自由振动衰减的快慢簇废，含适的 阻尼特性对抑制桥梁振动怒有利的。为测试平滩予大桥的幼力特性，在l 2 和 l 1 4 藏瑟采瓣魏车馒桥梁产生按指数篾德衰减静鑫缀信号，采褥高灵敏翔这度计 拾取结构搬动信号并由微机采集和记录，通过分析计算即可得到结构的固有频率 帮隰霪魄。魏车试验中，车辆襞褰褥粱蔻、嚣懿结稔振凌反受遥撵翻过渡弼鑫由 振动，通过对跑车余振( 自振) 信号的分析处理可识别结构的动力特性。 一、结构啻豢时域信芍 根据简支梁桥的动力学特性，前两阶振动的能摄占结构振动的主导成分，因 魏对简支粱桥一除和二酚动力特瞧测试其裔实际工程意义。采用分析系统的数字 滤波功能，通过对原始数据的滤波处理，可得到一、二阶自振信号，然后采用公 式f = 1 i t 求取结橡靛一、二输频率，图( 2 6 ) 怒部分魏车余掇信号，图( 2 - - 7 ) 是部分跳车自振信号。 ( a ) 跨中截面搬动女b 速度 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 一1 0 一 秘) t 4 截嚣攮鹚抽速度 图2 6 一阶自振信号 莲* e 簿中截面搬动加速度 臣商 匿卫溷 7 蕊jp 拶 弋罗、j ，、飞7 、 夕7 、：，一， 0 _ ：之猫- 叫 臣兰。5 翌l ： ( b ) l 4 截面振动加速度 蚕2 7 二除自摄信弩 二、终梅鑫羰蘩号瓣频壤努掇 通过对实测自振信号的频谱分析，可得到振动信号的频率成分，即结构自振 羰察，图( 2 8 ) 淹对部分跳车囊强接号翡凝谱分援结果，鹜( 2 9 ) 为瓣帮分 脉动信号的频谱分折结果。 “ 黼 鼍 彗 n 曙： ，f i j j 。 悻： j 1 )j _ ，、 ( a ) 蹿中截面振动加速度 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 ，11 o 诗 奄 童 o； - 簿挈。誊j _ 曩 炎i 芽鬟霉-一 b ) i 4 截垂振动翅速度 图2 8 跳车自振信号的频谱分析结粜 f a ) 跨中截面振动加速鏖 1 ；：0 ：a ei 淤 互娶耋要日? j ! ? 。二顷点嫁一二“ jl 1 。 ( b ) l 4 截面振动加速发 辫2 9 对稼动信号靛凝谱分辑 三、动力特性分板结巢汇总 通过对实测信母的时域和频域分析，得到平潍予大桥结构动力特性参数，列 予褒2 2 。 表2 2动力特性分析结果汇总 、 瑷驽f f t 努辑 测试内容、 对蠛分析 平均 跳车自振跑车余振脉动 一瓣 频率( h z ) 4 。6 6 04 7 l l4 6 9 94 。7 n4 ，6 9 8 骚向 阻尼眈o 0 1 5 1o 0 1 5 1 = 阶 频率( h z ) 1 2 4 0 41 2 9 5 51 2 5 3 1 1 2 5 6 31 2 6 1 3 骚囊l 趸跑0 0 3 争 0 9 3 1 9 。 最t 。 毫茸 。 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 1 2 2 2 4 桥梁结构动力响应 结构动力璃瘦是指在汽车移动荷载律翊下，结构受追振动的动应变、动挠度、 振幼加速发、冲击系数等响应，采用跑车和刹车试验对结构进行激励。为使桥梁 绪稳有足够静舞鸯嚣激励，采瘸一辆三辘重车( 3 1 1 6 t ) 屠中匀邃通过桥梁，车辆自 重庆岸顺坡通过，跑车速度共分5 种，最离速度为7 5 k m h 。刹车试验采用相同 静褥载疆稠霜的行驶方淘矮中訇这季亍骧并在跨中藏颡紧急弱车。 一、结槐动力响应实溅信号 限于篇幅，本论文只给出部分试验工况的实测动力响戚信号，图( 2 1 0 ) 、 图( 2 1l 为4 0 k m h 、7 5 k m h 跑车工况横粱跨中截面实测动力响应，蹙( 2 1 2 ) 为3 0 k n o b 跨中刹车试验跨中截面动力响应。 4 豫 ( 吣跨中截面4 # 板下缘动应变 ? 厂，芒芒； 、。， 汹跨夺藏瑶鼎授下缘动挠菠 篷皇；：z j c ) 4 # 教横恕秘位移 圈2 1 04 0 k m h 跑车试验跨中截面安测动力响应 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 。1 3 j 孵露圈 i ，多7 警、二 ( 醇跨串裁蠹4 # 投下缘动瘟燮 f b ) 踌中截面酬板动挠度 圈2 一l l7 5 k a n h 跑车试验跨中截嚣察测动力响应 到 j 严。 7 v 、j y ( a l 跨中截面6 柚t 下缘动应嶷 ， ； 匪蔓翻 。， 1 1 ，。p 7 、一黑_ 、，、，鼍j _ - _ j _ ： 一u 一= _ u 一 _ 一 。? 一 l ， | ： 。 i 2 ( ”跨中截面4 # 扳动挠度 f c ) 踌中截瑶5 # 摄翔速壤 图2 1 23 0 k m h 跨中刹车试验跨中截丽实测动力响应 第二二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 ，1 4 二、动力响应试验结果汇总 烽各踱车试验的动力嘲应测试绥果进行分摄汇总，列予表2 3 。 表2 3动力响应测试结聚汇总 嬲速痉孙“澹2 ) 跨孛下缀应交跨孛位移( r a m ) 试验程序 l ，2l 44 # 板6 # 板4 # 板竖向6 # 板搬向4 # 粱横向 4 0 k m , h 魅车o 2 5 l0 2 7 62 7 。72 4 52 。0 6| ，9 30 ，0 4 2 5 0 k m h 跑车o 1 6 0o 1 8 43 6 53 0 o1 8 81 9 30 0 5 5 6 0 k m h 蹴车0 2 9 30 。3 2 33 4 。】2 5 12 。0 32 0 60 0 4 t 7 0 k m h 跑车0 3 8 20 3 0 13 7 52 8 o1 8 21 8 60 0 7 9 7 5 k m h 跑车0 2 6 80 。3 4 63 0 ，l2 2 。l1 8 71 8 00 + 0 4 5 3 0 k m h 跨中刹车 o 1 8 4o 1 8 93 9 22 9 1 32 o l1 9 8 说明：表中动应变，动位移均为最大傻；应变符号受拉是正( + ) ，单位为x1 0 - 6 ( 雌) ； 强度符号向下为正；表中振动加速度为晦一峰值。 汽车冲击系数是桥梁设计的藏要参数，它反映了汽车动萄载作用下的维 构动力增大效应，是描述桥梁振动的主要指标之一，通常采用发映结构整体 指标的挠发增大效应来衡嫩。通过对动挠度时间历程曲线的分卡厅计算可褥至4 桥梁结构的冲击系数，其分析计露结果捌于表2 4 。 封。k l ：2 羔一】 j j q d 。一 0 式中：矗。跨中最大动挠度； 矗，。跨中最大静挠度； 二动挠发信号半峰值。 嶷2 4冲击系数测试结果 车速4 髯板6 # 板均蘧 理论值 4 0 k m m 跑率o 1 2 80 1 3 40 1 3 10 1 5 0 5 0 k m h 燕枣0 0 9 70 。0 9 90 0 9 8o 1 5 0 5 0 k m h 跑车0 1 0 70 1 3 60 1 2 20 1 5 0 7 0 k m h 跑率o 。0 7 60 0 5 5o 0 6 60 1 5 0 7 5 k m h 跑车0 0 4 10 0 4 90 0 4 5o 1 5 0 洚毒系数是菠敬结稳韵力效波的综合指标，它与耩梁结构体系、辩径、 桥丽平整艘、车辆特性及牮速有关，为分析冲击系数随车速的变化规律，将 表2 4 敬数据绘制残鼙( 2 1 3 ) 掰示挣击系数交往图。圈( 2 - - 1 4 ) 楚对跨 中截面动力响应的频谱分析结果。 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 w1 5 ? ， lt l 4 05 06 07 0 8 0 车速( k m h ) 彝2 一1 3 跨中截蕊、砖击系数睫车速的交忧趣律 卜 卜 i ；： ：s 嚣i 臣i ；：叫 骶 l 一7 弋瓜 焉舅1 k 一 l 2 截面 誊藜o | | 停：；s 掣l v 再、一， ，、l ( b l 4 裁囊 图2 1 44 0 k m h 跑率试验对加速度响应的f f t 分析结果 2 2 。5 试验结果分辑 一、大桥一、二阶竖向实测固有频率分别为4 6 9 8h z 、1 2 6 1 3 h z ，对应 鹣辍趸毙分裂灸0 0 1 5 1 黎0 。0 3 1 9 ，疆恧特性正鬻。 二、图( 2 1 3 ) 表明，大桥在汽车动荷载作用下结构的冲击效应与车速有 定嚣相关1 莲，跨中截覆实溅平搀狰壹系数秀0 , 0 4 5 , - - 0 。1 3 t ，滋4 0 k m h 滓 玉效应 最大，但均小于理论冲击系数( o 1 5 0 ) ，且随车速的递增，冲击系数星递减变化。 三、耄强( 2 - 1 2 ) 霹鳃，在动耱载裁动力 乍弱- f ( 3 0 k m h 刹车) ，大揆跨中 竖向动态响应正常，车辆紧急制动后跨中截面的烃向振幅较小，且收敛较快。 翅、从整( 2 - - 1 4 ) 熬车动力螭应载频避分掇结果表甥，终擒摄魂蹶应戳 4 6 9 9 h z 和2 7 4 1 h z 的频率成分占主导，其中4 6 9 9 h z 为结构一阶自振频率， 2 ，7 4 1 h z 为车辆的爨囊振凌频率，频谱图中还包含1 2 ，5 3 i h z 的缝橡二除频率 成分，但能量较小。 。 ! 趣最茸 。 。 芦鼍茸 。 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 - 1 6 2 3 车辆振动响应 根据调查，当汽车高速通过平滩子大轿时，车辆存在较大的璺向振动，且伴 随漪横向晃动，驾驶员有明屈的不舒适感。车辆通过桥梁时产生异常振动的原因 是多方面的，除了前文已经摊除的桥面坑渔、伸缩缝破损等造成桥硒不平熬及车 辆特性两个影响因索外，结构动力性能、桥面线形等因素均可能导数车辆的异常 搽动，为分橱导致道大振动的原因，对行驶中车身的振动晌斑测试慰必不可少的， 通过对车身振动幅慎、振动特性、频率成分的分析研究，可以揭示车辆振动与桥 梁特性静肉在关系，确定逶成异常振动的舔因。 车辆振动响应的测试对象为两种型号的车辆，如图( 2 - - 1 5 ) ，主要参数为： 1 、小篷车辆：蘩壳君藏2 5 赣车，乘爱3 人( 禽驾驶员) ，总露翡2 t 。 2 、重型车辆：东风三轴车，车辆参数同桥梁动力试验。 考虑戮彩穗车辆振动滴应因素靛复杂秣，西魏在对各因素迸簿了周密魏分耩 的耩础上，确定了合理的试验方案。车辆振动响应试验要涉及的主要问题为： l 、援疆行驶与歪誉鼹嚣毒亍驶攀额振动稳痰瓣蓑吴及定萋篦较； 2 、车辆振动响应与车速的相关性及定量比较； 3 、车辆竖囱及摸离振漤鹣援簿，著泼竖囊振动 翼| | 试为主； 4 、不同规格攀辆振动响应的麓异； 5 、不阅行车邋，车辍搬动响疲蕊差异。 ( a ) 别克嚣威25 ( b ) 东风三轴车 凰2 一 5 车辆振动响应试验车辆 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 1 7 。 2 3 1 测试仪器及测点布置 涌振镑感器为压电加速度计( y e l 4 1 2 7 频率范围o 5 0 h z 一5 0 0 h z ) ，采用 d h 5 9 3 8 振动测试及分析系统进行信号采集，系统采用直流电池供电，所以设备 均布置在试验车辆内。振动灞点布黉在车辆轿箱内豹底面上，根据测试需黉，变 化测点的测试方向，以测试车辆的爆向和横向振动。车辆测振传感器的布餐如图 ( 2 1 6 ) 掰示。 ( a ) 竖蠢溅矗舞霪( 别竟罄藏2 ，5 ) ( b ) 竖蠢、攮鑫测点布置f 剐竟嚣藏2 , 5 ) ( c ) 竖向测点布置末风车) 图2 1 6 车辆振动响应测点布置 第二章简支梁桥动力性能及汽车振动响应试验 一18 - 2 3 2 试验程序 试验潞段选平滩子大轿右福，潞段平鏊度较好，基本为直线段，桥面冤髓显 坑滟，伸缩缝完好。桥梁设有单向纵坡( 实测纵坡为o 5 1 6 ) ，纵坡下行能 傈证行车速疫，同辩由于髅往的话翊，颓城下行车辆产生的振动也相对较大，鉴 于上述原因，车辆振动试验的行车方向均为重庆至綦江方向顺坡下行，同时在试 验轿粱两螭保密是够长发静正常匀速行驶路段，班便将其试验结莱与桥上行驶路 段的车辆振动进行