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基于车桥耦合振动分析的某拱桥改造前后振动特性评价
摘要
本文基于车桥耦合振动分析，对某拱桥的改造前后振动特性进行了评价。通过现场实测和有限元模拟，对拱桥在静载和动载下的振动响应特性进行了对比分析。研究表明，改造后的拱桥整体刚度提高，振动响应特性得到了明显改善。因此，本文得出了对于大型拱桥的改造设计应该考虑加强结构刚度的结论。
关键词：车桥耦合振动、拱桥、改造评价、结构刚度
1.前言
近年来，随着车辆交通的日益发展，拥有大跨度的拱桥逐渐成为城市交通建设的重要组成部分。而对于这些大型拱桥，其振动响应特性就变得越来越重要。因为这不仅会直接影响到拱桥的运行安全，也会对行车舒适性造成影响。因此，针对大型拱桥的振动分析与评价，已经成为结构工程领域的重要研究方向之一。
本文主要以某拱桥为研究对象，通过在改造前后对拱桥的振动响应特性进行现场实测和有限元模拟分析，来评价该拱桥经过改造后的振动特性变化。同时，本文旨在探究大型拱桥在改造设计上应该如何考虑结构刚度。
2.拱桥改造前后的振动响应特性对比研究
2.1车桥耦合振动分析理论
车桥耦合振动是指所考虑的整个桥梁系统在运行时的振动响应过程中，车辆和桥梁发生的耦合作用。在车桥耦合振动分析中，需要考虑到以下因素：
•车辆对桥梁的影响，通过轴载传递到桥梁结构上产生相应的振型；
•桥梁对车辆的影响，通过路面对轮胎的动态反力作用，使得车辆也产生相应的振型；
•车辆与桥梁之间的相互作用，通过动态反力和弯曲挠度等，影响到车辆在运行时的稳定性。
2.2现场实测分析
为了对改造前后的拱桥振动特性进行对比研究，本文进行了实测分析。我们在桥面中央设置了加速度传感器，采集了车辆在行驶时对拱桥产生的振动响应数据，并通过数据处理得到了如图1所示的加速度时间历程曲线。
图1：拱桥车辆通过前后的加速度时间历程曲线
如图1所示，我们可以看出在改造前后车辆通过拱桥时的振动响应特性有很明显的差别。比如，改造后的拱桥车辆通过时的加速度幅值和曲线波动度都有所降低，说明改造后的拱桥整体刚度有所提高，振动响应特性明显改善。
2.3有限元数值模拟分析
为了更好地解释实测数据结果，我们还可以采用有限元数值模拟分析的方法，模拟出拱桥在静载和动载下的振动响应特性。通过模拟得到的如图2-4所示的加速度-频率曲线图，可以清晰地看出改造前后车辆通过拱桥时的振动响应变化。
图2：拱桥静载下的加速度-频率曲线图
图3：改造前拱桥动载下的加速度-频率曲线图
图4：改造后拱桥动载下的加速度-频率曲线图
通过图2-4的对比分析，我们可以看出改造后拱桥的各项振动响应指标均有所提升。比如在改造后的动载下，拱桥结构的主振周期明显缩短，在低频段和高频段的能量分布也得到了优化。
3.结论
通过对某拱桥改造前后振动特性的评价分析，我们可以得出以下结论：
•车桥耦合振动分析理论可以较好地解释不同车辆行驶时对拱桥结构的振动响应特性影响；
•改造后的拱桥整体刚度提高，振动响应特性得到了明显改善；
•对于大型拱桥的改造设计应该考虑加强结构刚度。
综上所述，我们认为对于大型拱桥的改造设计，应该着重考虑结构刚度的加强，以便提高结构的振动响应特性。同时，对于更为复杂的车桥耦合振动问题，还需要利用更为完善的分析方法，加以进一步研究。