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载重车辆-伸缩缝耦合系统的垂向振动数值模拟方法

张露 李冰 王少华 李怀仙

张露, 李冰, 王少华, 李怀仙. 载重车辆-伸缩缝耦合系统的垂向振动数值模拟方法[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(5): 1032-1039. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200712
引用本文: 张露, 李冰, 王少华, 李怀仙. 载重车辆-伸缩缝耦合系统的垂向振动数值模拟方法[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(5): 1032-1039. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200712
ZHANG Lu, LI Bing, WANG Shaohua, LI Huaixian. Numerical Simulation Method for Vertical Vibration of Heavy Vehicle-Expansion Joint Coupled System[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(5): 1032-1039. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200712
Citation: ZHANG Lu, LI Bing, WANG Shaohua, LI Huaixian. Numerical Simulation Method for Vertical Vibration of Heavy Vehicle-Expansion Joint Coupled System[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(5): 1032-1039. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200712

载重车辆-伸缩缝耦合系统的垂向振动数值模拟方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200712
基金项目: 国家自然科学基金(51805166);中央高校基本科研业务基金(A0920502052001-204)
详细信息
    作者简介:

    张露(1990—),男,博士研究生,研究方向为结构振动,E-mail:jd_zhanglu@163.com

    通讯作者:

    王少华(1963—),男,教授,博士,研究方向为机械设计、结构振动和工业工程,E-mail:2892923270@qq.com

  • 中图分类号: U441

Numerical Simulation Method for Vertical Vibration of Heavy Vehicle-Expansion Joint Coupled System

  • 摘要:

    为研究车辆对大位移伸缩缝振动特性的影响,考虑轮胎载重车辆过大位移桥梁伸缩缝时的真实激励特性,提出了一种载重车辆-伸缩缝耦合系统垂向动力学模型,同时引入新型快速积分法对数值模型进行求解. 以ZL1600模数式大位移伸缩缝为研究对象,通过仿真结果与试验测试结果的对比验证模型有效性,并基于此模型分析了轮胎载重车辆对大位移伸缩缝的冲击效应. 研究结果表明:中梁测点垂向速度的动力学模型仿真结果能较好地匹配试验测试结果,仿真得到中梁测点最大下沉位移的偏差均小于10.0%,表明该模型具有较高的计算精度;车辆轮胎力的最大冲击系数出现在车轮驶上伸缩缝后方桥面时,需要考虑对此处结构进行加强;车辆轮胎对伸缩缝中梁和后方桥面的冲击系数均随车速的增大而增大,最大冲击系数分别为0.67和0.82,均超过了国内现行规范的推荐值0.45,应得到重视.

     

  • 图 1  车辆-伸缩缝耦合系统受力分析

    Figure 1.  Force analysis of the vehicle-expansion joint coupled system

    图 2  轮胎与中梁接触关系

    Figure 2.  The contact relationship between the center beam and tire

    图 3  传感器布置

    Figure 3.  Layout of the sensors

    图 4  1号中梁A组测点的速度时程曲线(v = 30 km/h)

    Figure 4.  Speed time history curves of group A measuring points of No.1 middle beam(v = 30 km/h)

    图 5  1号中梁A组测点振动速度最大值对比

    Figure 5.  Comparison results of maximum speed at group A measuring points of No.1 middle beam

    图 6  车辆驶过伸缩缝时轮胎力冲击系数(v = 80 km/h)

    Figure 6.  Impact factors of tire force when vehicle passing through expansion joint (v = 80 km/h)

    图 7  车辆驶上伸缩缝时的最大冲击系数与车速的关系

    Figure 7.  Relationships between maximum impact factor and speed when vehicle getting on the expansion joint

    图 8  车辆驶上桥梁时的最大冲击系数与车速的关系

    Figure 8.  Relationship between maximum impact factor and speed when vehicle getting on the bridge

    表  1  大位移伸缩缝主要结构参数

    Table  1.   Main structural parameters of large displacement expansion joint

    项目数值项目数值
    弹性模量 E/GPa205泊松比 ν0.3
    材料密度 ρ/(kg·m−37800缝宽 B/mm0~80
    中梁单位长度质量 mZ/(kg·m−149.33横梁单位长度质量 mH/(kg·m−1315.9
    中梁长度 LZ/m10.2横梁长度 LH/m4.2
    中梁截面惯性矩 IZ/m41.24 × 10−5横梁截面惯性矩 IH/m42.46 × 10−4
    中梁、横梁弹性元件刚度/(kN·mm−180中梁、横梁弹性元件阻尼/(N·s·mm−15
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    表  2  四轴载重车辆动力学参数

    Table  2.   Dynamic parameters of four-axle vehicle

    参数数值参数数值
    车体质量 mC/kg64501 轴至车体质心
    的距离 l1/m
    3.327
    车体俯仰惯量JCx/(kg·m2883272 轴至车体质心
    的距离 l2/m
    1.227
    车体侧滚惯量JCz/(kg·m217665后悬架中心至车体质心的距离 l3/m3.948
    后悬架平衡
    杆质量 mS/kg
    2003、4 轴之间的
    距离 l4/m
    1.35
    后悬架平衡杆俯仰惯量 JS/(kg·m23801、2 轴的轮距
    一半 b1/m
    1.0135
    1、2 轴非簧载
    的质量 mT1 /kg
    5003、4 轴的轮距
    一半 b2/m
    0.93
    3、4 轴非簧载
    的质量 mT2/kg
    8001、2 悬架阻尼
    cS1/(kN·s·m−1
    25.32
    1、2 轴悬架刚
    kS1 /(kN·m−1
    284后悬架阻尼cS2/(kN·s·m−150.636
    后悬架刚度kS2/(kN·m−120641、2 轴轮胎阻尼
    cT1/(kN·s·m−1
    3.5
    1、2 轴轮胎刚
    kT1 /(kN·m−1
    14023、4 轴轮胎阻尼 cT2/(kN·s·m−17
    3、4 轴轮胎刚
    kT2 /(kN·m−1
    2804轮胎型号11.00R20-18RP
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    表  3  中梁测点最大下沉量对比结果

    Table  3.   Comparison results of maximum sinking displacement of center beam test points

    传感器
    位置
    车速/
    (km·h−1
    1 号中梁10 号中梁13 号中梁19 号中梁
    试验
    值/mm
    仿真
    值/mm
    偏差/
    %
    试验
    值/mm
    仿真
    值/mm
    偏差/
    %
    试验
    值/mm
    仿真
    值/mm
    偏差/
    %
    试验
    值/mm
    仿真
    值/mm
    偏差/
    %
    A 组 30 0.42 0.41 2.4 0.49 0.51 4.1 0.54 0.56 3.7 0.55 0.58 5.5
    40 0.50 0.48 4.0 0.56 0.60 7.1 0.58 0.61 5.2 0.64 0.69 7.8
    60 0.54 0.51 5.6 0.58 0.59 1.7 0.62 0.65 4.8 0.60 0.64 6.7
    B 组 30 0.14 0.13 7.1 0.23 0.24 4.3 0.20 0.21 5.0 0.22 0.21 4.5
    40 0.18 0.17 5.6 0.25 0.27 8.0 0.29 0.31 6.9 0.26 0.28 7.7
    60 0.20 0.19 5.0 0.29 0.31 6.9 0.31 0.30 3.2 0.23 0.25 8.7
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  • [1] 赵健. 高速公路桥梁伸缩缝病害的成因及防治[J]. 公路交通科技(应用技术版),2007,3(12): 128-129, 133.

    ZHAO Jian. Causes and prevention of expansion joint disease for expressway bridge[J]. Highway Transportation Technology (Application Technology Edition), 2007, 3(12): 128-129, 133.
    [2] XIA Q, XIA Y, WAN H P, et al. Condition analysis of expansion joints of a long-span suspension bridge through metamodel-based model updating considering thermal effect[J]. Structural Control and Health Monitoring, 2020, 27(5): 1-16.
    [3] HU J H, WANG L H, SONG X P, et al. Field monitoring and response characteristics of longitudinal movements of expansion joints in long-span suspension bridges[J]. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, 2020, 162: 1-13.
    [4] 孙正峰,王少华,吴昊,等. 大位移桥梁伸缩缝耦合动力学研究[J]. 公路工程,2014,39(2): 59-62,104.

    SUN Zhengfeng, WANG Shaohua, WU Hao, et al. Coupling dynamic research of the large displacement bridge expansion joints[J]. Highway Engineering, 2014, 39(2): 59-62,104.
    [5] 严情木,王少华,杨刚,等. 大位移桥梁伸缩缝的垂向动力学响应研究[J]. 机械设计与制造,2013(7): 41-43,46. doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2013.07.014

    YAN Qingmu, WANG Shaohua, YANG Gang, et al. Research of vertical dynamic response of the large displacement bridge expansion joint[J]. Machinery Design & Manufacture, 2013(7): 41-43,46. doi: 10.3969/j.issn.1001-3997.2013.07.014
    [6] LI B, WANG S H, WU X, et al. Dynamic response of continuous beams with discrete viscoelastic supports under sinusoidal loading[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2014, 86: 76-82. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2014.02.005
    [7] 谢旭,吴冬雁,王建峰,等. 伸缩缝车辆冲击引起的钢箱梁桥振动特性[J]. 浙江大学学报(工学版),2009,43(10): 1923-1930. doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2009.10.030

    XIE Xu, WU Dongyan, WANG Jianfeng, et al. Dynamical behavior of steel box girder bridges due to vehicle-induced vibration at expansion joint[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2009, 43(10): 1923-1930. doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2009.10.030
    [8] SUN Z, ZHANG Y F. Vehicle-induced dynamic response of expansion joints in long span bridges[J]. Applied Mechanics and Materials, 2014, 584/585/586: 2117-2120.
    [9] FRIEDL R, MANGERIG I. Dynamic amplification of bridge-expansion-joints considering roughness induced vehicle vibrations[J]. Procedia Engineering, 2017, 199: 2651-2656. doi: 10.1016/j.proeng.2017.09.515
    [10] MANGERIG I, FRIEDL R. Dynamic interaction between vehicles and bridge expansion joints[C]// Proceedings of the International Conference on Structural Dynamic Porto. [S.l.]: European Association for Structural Dynamics, 2014: 1153-1160.
    [11] 丁勇,谢旭,区达光,等. 基于分布式弹簧-阻尼单元的桥头跳车动力荷载分析[J]. 土木工程学报,2012,45(12): 127-135.

    DING Yong, XIE Xu, AU FRANCIS T K, et al. Analysis of dynamic load of vehicle bumping at bridge-head using distributed spring-damper element[J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(12): 127-135.
    [12] DING Y, ZHANG W, AU F T K. Effect of dynamic impact at modular bridge expansion joints on bridge design[J]. Engineering Structures, 2016, 127: 645-662. doi: 10.1016/j.engstruct.2016.09.007
    [13] 张纬. 车辆荷载作用下桥梁伸缩缝强度与疲劳问题研究[D]. 宁波: 宁波大学, 2017.
    [14] 吴延平,吴冬雁,谢旭,等. 车辆通过钢箱梁桥伸缩缝的振动响应及减振[J]. 噪声与振动控制,2013,33(2): 95-100.

    WU Yanping, WU Dongyan, XIE Xu, et al. Response and vibration control of steel box-girder bridge when vehicles passing through the expansion joint[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 33(2): 95-100.
    [15] 张锋. 深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应与永久变形[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.
    [16] 翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学[M]. 4版. 北京: 科学出版社, 2015.
    [17] 郭孔辉,刘青,丁国峰. 轮胎包容特性分析及其在汽车振动系统建模中的应用[J]. 汽车工程,1999,21(2): 65-71,80.

    GUO Konghui, LIU Qing, DING Guofeng. Analysis of tire enveloping properties and its application in modeling of vehicle vibration systems[J]. Automotive Engineering, 1999, 21(2): 65-71,80.
    [18] YANG S P, LI S H, LU Y J. Dynamics of vehicle-pavement coupled system based on a revised flexible roller contact tire model[J]. Science in China Series E:Technological Sciences, 2009, 52(3): 721-730. doi: 10.1007/s11431-009-0053-0
    [19] 崔志博. 子午线轮胎接地特性可控设计理论及实验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016.
    [20] 林楠,李东升,李宏男. 基于零初值的测试加速度积分速度与位移的方法[J]. 中国科学:技术科学,2016,46(6): 602-614. doi: 10.1360/N092015-00282

    LIN Nan, LI Dongsheng, LI Hongnan. Novel integration method of measured acceleration to velocity and displacement based on zero initial condition[J]. Scientia Sinica (Technologica), 2016, 46(6): 602-614. doi: 10.1360/N092015-00282
    [21] 中华人民共和国交通运输部. 公路桥涵设计通用规范: JTG D60—2015[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-27
  • 修回日期:  2021-03-30
  • 网络出版日期:  2022-07-18
  • 刊出日期:  2021-03-31

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