摘要
矮塔斜拉桥作为二十一世纪的新型桥型，由于其力学性能好、美观度高、跨径布置灵活、经济性好等优点，被广大的桥梁设计师们用于枢纽的连接、江河的跨越或山路的架接等。由于矮塔斜拉桥自身结构比较柔的原因，在悬臂施工过程以及成桥运营阶段，桥梁自身的振动特性以及动力响应一直是现阶段专家学者们所关注的重点，尤其是当汽车车辆行驶于桥面时，由于路面不平度等内在因素以及风荷载等外力干扰所可能造成的汽车-桥梁耦合振动是成桥运营阶段的一大安全隐患。所以，开展关于矮塔斜拉桥施工至成桥全过程的动力特性分析以及汽车-桥梁耦合振动的动力响应研究不仅具有重要的理论意义，对实际的工程也存在一定的实用价值。 以有限元法和结构动力学为研究基础，沿用传统的弹簧-质量体系，建立了桥梁和三轴九自由度车辆模型的振动方程，并依据力的平衡和位移协调条件将两者进行耦合。通过将模态综合叠加法和隐式Newmark-β数值计算方法相结合，在MATLAB中自编程序对汽车-桥梁耦合振动方程进行求解。 以京杭运河桥为研究对象，在Midas/Civil中依据剪力-柔性梁格理论，建立京杭运河桥从悬臂浇筑阶段到成桥运营阶段的全过程梁格模型，并分别对成桥运营阶段主梁和索塔的前十阶自振特性，悬臂浇筑阶段主梁前三阶自振频率随悬臂长度的变化规律，以及施工过程中挂篮质量、可能出现的横向不对称荷载和竖向冲击荷载对主梁动力特性的影响进行计算分析。结果表明：京杭运河桥的基本振型为主梁的正对称竖弯，主梁的抗水平侧移刚度较大，但模态比较密集，在一定的频率宽度范围内，一个动荷载的激励可能会引起多个振型的强烈振动；施工过程中挂篮质量和可能出现的横向不对称荷载对主梁振动特性的影响有限，但主梁在最大双悬臂状态时，悬臂端竖向位移和索塔底部的弯矩对可能出现的竖向冲击荷载非常敏感，在该作用下两项数值被分别放大了1.75倍和2.05倍。 根据中国标准GB/T7031-2005中给出的路面功率谱密度函数的拟合公式，采用谐波叠加法模拟了车速在36km/h~144km/h范围内A、B、C三个等级道路的路面不平度曲线。通过自编程序在MATLAB中求解考虑路面不平度后京杭运河桥的最大静力效应值和最大动效应值，并计算分析了36km/h、54km/h、72km/h、90km/h、108km/h、126km/h和144km/h七种车速和A级、B级、C级三种道路等级分别对京杭运河桥动力放大系数和冲击系数的影响，与现行规范《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）中通过给定公式计算得到的结果进行了比较。结果表明：动力放大系数和冲击系数与车速之间不存在线性变化，关系比较复杂，而与路面不平度之间则呈现出单调递增关系，即路面状况越差，道路等级越低，动力放大系数和冲击系数越大。道路等级为A级和B级时，动力放大系数和冲击系数的计算值与规范值基本吻合，但当道路等级降为C级时，两者之间存在明显的差异，规范值均普遍偏低。由此说明，我国规范中给出的相关冲击系数的计算公式还存在一定的缺陷，无法全部涵盖可能出现的情况，未来还需要作出进一步的优化和改善。
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