1绪论
1.1选题背景
随着我国国民经济的不断增长，人们生活质量的不断提高，铁路作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具，绝对是运输行业中的中流砥柱。根据铁道部年度统计公报，2001年、2005年、2010年和2012年我国铁路营业里程分别达7万公里、7.5万公里、9.1万公里和9.8万公里，其中电气化铁路里程分别达1.69万公里、2.02万公里、4.2万公里和5.1万公里。截至2013年底，全国铁路营业里程达10,3万公里，其中高铁运营里程1.1万公里，居世界第一位。客运高速及货运重载是我国铁路今后大的发展趋势。桥梁是交通运输的咽喉，在铁路线中占有非常大的比例。在这种背景下，作为铁路线重要的组成部分，桥梁的设计、建造水平及运营状况越来越受到人们的关心和重视。一方面，我国的普通铁路跨度在40rn及以下的多釆用钢板梁桥或钢箱梁桥，跨度在48m及以上的多采用下承式钢析梁桥。下承式钢析梁一般均为明桥面，在既有线路的提速改造过程中，部分常用钢析梁桥的刚度已满足不了提速后的行车要求，此外还存在耗钢量大、噪声大、养护维修困难等亟待解决的问题。另一方面，在己建成或新建的高速铁路及客运专线中桥梁所占线路的比例不断增大，以京沪高速铁路北京至徐州段统计结果为例，该段线路总长671km，桥梁长度374.78km，占线路长度的55.85%，简支梁长度305.35km，占桥梁长度的81.47%,连续梁长度49.82km，占桥梁长度的13.29%。桥梁在线路中比例的增加，从行车角度而言，使得人们对桥梁的动力性能提出了更高的要求。为满足日益先进的行车要求，在我国新建铁路线上出现了一些新型桥梁结构，比如近些年已在我国高速铁路中得到发展应用的下承式钢桁结合梁桥。下承式钢析结合梁桥与传统的钢析梁桥相比，其刚度大，可釆用有碴桥面，行车噪声小，乘客舒适度高：与传统的混凝土桥相比，可减轻结构自重，增大桥梁跨度，大大降低建筑高度。这种结构形式在日、法、德和我国台湾地区的铁路线上己有较多的应用。但国内目前对这种新型钢混组合析架结构研究相对较少，还处于起步阶段。
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1.2桁梁桥的发展现状
析架桥由上下弦杆和腹杆构成，各杆件主要承受轴力。其结构形式在很多大跨度桥上得到广泛应用。建f 1890年的英W爱r堡的Forth铁路悬臂析梁桥是世界桥梁建设技术水平的电程碑。该桥首次采用悬臂钢析架的结构方案，主跨达到52101，支撑处析髙110m,如閱1-1所示。随后f 1917年加拿大建成了相同结构形式的Quebec桥，其跨度达到548.8m。此后，世界各地陆续建造多座钢析架桥，如印度Howrah桥(1943 年）、日本港大桥（1974 年）、美W Commodore John桥（1974 年）等。在这些钢術梁桥的设计中，通常是在弦杆节点设置横梁，通过横梁将桥面板的荷载传给主析，桥面板只作为一种外加荷载。这种设计理念忽略了桥面板参加结构整体受力，造成了一定程度上的不合理性。为了使结构的整体刚度以及空间稳定性得到提升，钢析架桥的上、下弦平面上布置纵横加劲的钢桥面板，由此发展出了钢桥面板组合析梁桥。1%2年德国修建了世界上第一座钢桥面板组合析架公路桥-Fuldatal桥，为7跨上承式连续析梁桥，跨径组合为 79.2m+91.2m+107.8m+143.2m+107.8m+91.2m+79.2m。此后，钢板祈架组合桥在欧洲及日本等国家和地区的多种桥梁形式中都有采用，如荷兰的加浪特桥、德国的Kleve Emmerich桥、日本的岩黑岛大桥和柜石岛大桥。图1-2所示为德国的Kleve Emmerich桥的实桥照片，采用的是钢桥面板-钢析架组合悬索桥方案。
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2车-桥系统动力相互作用理论分析
2.1简支梁在移动力作用下的振动
单个移动荷载通过简支梁时，由于梁的质量与移动荷载相比大得多，可不考虑荷载的质量惯性力成为简化的计算模型，相当于仅计算移动荷载的重力作用，并表示为一个移动的力P(t)。简化模型如图2-1所示。设所研究简支梁为等截面杆件，截面刚度EI为常数；梁的单位长度质量历为常数；阻尼力正比于结构的振动加速度，阻尼效应正比于刚度和质量的性质，荷载P(t)保持不变，以勻速V从梁上通过；梁的运动符合小变形理论并始终处于弹性范围以内，根据图2-1所示的坐标系，利用大型计算软件MATLAB编制程序得出每个时间步桥上各节点所受的力，施加在有限元分析软件ANSYS中的桥梁模型上进行瞬态分析求解，即可得出桥梁的竖向动力响应。
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2.2移动车轮加黄上质量作用下的简支梁振动分析
本节将分析单个移动车轮（质量）+弹簧（阻尼器）+黃上质量过桥时简支梁的振动模型。由于增加了弹賛减振装置，不但移动列车对桥梁的冲击作用降低，列车自身的动力性能也得到改善。采用振型分解法通过选择适当的阶数N可使原来的结构方程组降阶。与上节同样的是，上式也为系数时变的二阶微分方程组。对于这样的时变系数微分方程组，一般只能采用逐步积分的数值法求解。对于车-桥系统来说，所施加荷载为移动中的列车，加载的频率会随列车运行速度的变化而改变。当列车运行速度达到某一特殊值使得加载频率与列车或桥跨结构或自振频率相近时，系统将产生共振。由移动荷载导致车桥体系共振的因素包括：因为桥跨结构烧度的影响，当列车以一定运行速度在等跨布置的中小跨度多跨桥梁上通过时，对车辆产生的周期性不平顺激励作用：车辆荷载通过排列规则的轮轴形成重力或离心力对桥梁的周期性加载；以及车辆蛇行运动和各种轨道不平顺导致的横向周期性激励作用等。以上这些都会随列车运行速度改变而改变加载的频率，因此可能会引发车-桥系统共振，从而使车辆或桥梁的振动增大。因为将列车荷载简化为一系列不计质量惯性力的移动荷载时，其引起的桥梁响应主要为竖向，故本文仅分析简支梁的竖向共振反应。
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3镇北路钢桁-槽型梁组合结构桥模型..........25
3.1工程背景..........25
3.2系统模型的建立..........27
3.3全桥模态分析结果..........30
3.4本章小结..........35
4移动力作用下镇北路大桥动力响应分析..........37
4.1计算条件及结果评定..........37
4.2移动轴重荷载作用下桥梁动力响应分析..........40
4.3 本章小结..........61
5移动车轮加簧上质量作用下桥梁动力响应分析..........63
5.1轨道不平顺激励..........63
5.2计算条件及桥梁动力响应分析..........66
5.3本章小结..........73
5移动车轮加簧上质量作用下桥梁动力响应分析
5.1轨道不平顺激励
轨道不平顺是指用来支承和引导车轮的轨道接触面沿轨道长度方向与理论平顺轨道面之间的偏差。根据其在轨道断面方向的不同，轨道不平顺可分为轨道的轨向不平顺轨距不平顺水平不平顺。高低不平顺等。轨道不平顺在车桥系统动力相互作用分析中具有非常重要的作用被认为是车桥系统横向振动的主要自激激励源之一。由于本文主要研究列车过桥时桥梁的跨中竖向动力响应，因此在考虑轨道不平顺时主要考虑轨道的高低不平顺影响。轨道不平顺谱的频率范围对车桥系统动力分析的结果有很大的影响。在进行车桥系统动力分析时，应根据桥梁、轨道、机车、车辆的振动频率以及计算车速的范围来选择轨道不平顺谱的波长。对于长波来说，车辆的自振频率一般低于桥跨结构的自振频率，因此车辆的振动标准是选择轨道不平顺长波波长的控制因素。桥梁变形所产生的不平顺已经在系统分析模型中得到反映。因此，一般在高速铁路车桥分析时可取截止波长为80m。对短波而言，由于目前国内外轨道检测车的轨道不平顺采样间隔一般为0.25m或0.3048(1.0ft)，轨道不平顺的有效波长为1.0m以上。
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结论
本文建立了广佛环线上一种新型组合结构桥梁一镇北路钢衍-槽型梁组合结构桥的三维有限元模型，该桥梁的上部结构由三角形椅架和混凝土槽型主梁组成。在使用大型有限元分析软件ANSYS对其进行建模的过程中，釆用BEAM4单元模拟上弦杆、上弦横联杆、斜腹杆和桥壤，槽型主梁采用BEAM188单元模拟。计算得到了该桥前20阶的自振频率和振型并分析了其自振特性。为进一步研究镇北路大桥在移动列车荷载作用下的动力性能，先把重载货车、中速客车和高速客车列车荷载分别简化为按实际间距排列的轴重集中荷载列，通过APDL语言编程计算得出了桥梁的竖向动力响应；再将列车模型简化为移动车轮加簧上质量体系，在考虑轨道不平顺的情况下通过大型科学计算软件MATLAB语言编程并将得出的桥梁的竖向动力响应与前一种模型进行比较分析。主要研究结论如下：
1)镇北路大桥的振动形式较为复杂，前20阶频率中桥梁出现了各种形式的振动，这体现了大型复杂结构的振动特点。结构1阶振型为竖向振动，表明竖向刚度较横向刚度稍弱；主祐横向振动出现5次，主梁横向振动仅在第10阶出现，表明上部裕架刚度比槽型主梁刚度稍弱；扭转振动仅在第8阶和第13阶振型出现，表明结构具有较大扭转刚度。
2)镇北路大桥的竖向1阶自振频率为2.942Hz，大于我国高速铁路及客运专线对于简支梁桥竖向自振频率的最低限值，满足其行车要求；桥梁的主衍横向1阶自振频率为3.609Hz，主梁横向1阶自振频率为8.944Hz，符合我国铁路现行规范对于桥梁横向自振频率通常值的规定，满足干线铁路行车要求。
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参考文献（略）