1、目的及意义

1.1研究背景

当车辆以一定速度通过桥梁时，使桥梁产生振动、冲击等动力效应，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种相互作用、相互影响的问题，就是车辆与桥梁之间的耦合振动问题。车辆动力作用引起桥梁上部结构的振动可能使结构构件产生疲劳，降低其强度和稳定性；桥梁振动过大可能会对桥上车辆的运行安全和稳定性产生影响；并且随着近年我国经济的飞速发展，车辆运行速度大大提高，桥梁结构趋于大跨化、轻型化，使车桥耦合振动问

题日益突出，因此分析影响车桥耦合振动的因素越来越受到工程界的重视。基于以上原因，本课题通过建立铁路桥梁的车辆—轨道—桥梁模型，分析车辆冲击荷载作用对的轨道结构的影响。

1.2研究现状分析

1.2.1车桥耦合振动的国外现状

随着铁路桥梁车振问题的研究开展，人们开始了对公路车激桥梁振动以及行人过桥引起的桥梁振动研究。

对于这个问题的系统研究最早开始于 1930 年。在 30 年代，乌曼斯基对连续和铰接体系浮桥的自由振动进行过初步分析。吉洛夫将浮桥看作为无阻尼的弹性地基梁，把附加质量作为常数并计及移动荷载质量进行动力分析，求出了连续体系浮桥在若干典型情况下的封闭解。

在90年代后，Lin YH，Trethwey MW给出了简支梁在弹簧阻尼系统作用下的有限元方程。Wang TL 和 Huang DZ将车辆和桥梁模拟为空间结构，路面竖向的不平顺假设为一平稳各态历经的随机过程，研究了梁式桥、斜拉桥、刚架桥、曲线桥、斜桥及箱梁桥的车辆振动问题，得到了不少重要结果。

P.K.Chatterjee，T.K.Datt和C.S.Surana将连续梁桥简化为考虑扭转效应的Euler-Bernoulli

梁，车辆采用 1/4 卡车模型进行了分析。Zibdeh解决了弹性简支梁在受到随时间改变的移动荷载时的随机振动情况，应用 Euler-Bernoulli 梁理论和随机方法，将这一问题转化为一个偏微分方程。Zibdeh 和 Rackwitz推导出移动荷载作用下，一般边界条件的梁的振动方程，研究了移动荷载在加速、减速、匀速情况下的振动响应。

Shen-Haw Ju，Hung-Ta Lin，Chung-Cheng Hsueh和Shin-Lin Wang基于有限元方法，采用移动车轮单元、弹簧阻尼单元、集中质量单元和刚性连接来模拟移动车辆。采用此种方法得的动力方程其系数矩阵是对称矩阵，并且其原理非常简单，便于编制有限元程序，而且无论多么复杂的车辆模型都可以简化为几种单元的组合。

1.2.2车桥耦合振动的国内现状

近年来，国内公路桥梁车致振动的研究成果越来越丰富。韩艳，夏禾，郭薇薇运用桥梁结构动力学与车辆动力学的理论方法，对在典型地震波激励下列车过桥的全过程进行了模拟。余岭，朱军华，陈敏中，Chan T H T等基于移动荷载识别理论，借助矩量法求解积分方程理论并采用整域基函数-正交勒让德多项式表达桥面移动荷载，提出了一种移动荷载识别的时域改进算法。王贵春，潘家英，张欣针对大跨度斜拉桥的几何非线性特征及铁路桥的特点，建立了结构空间动力分析模型，计算了斜拉桥的车桥耦合振动响应，分析了各种因素对桥梁动力响应的影响。

1.3研究目的

通过建立车辆—轨道—桥梁分析模型，使用考虑六自由度的平面钢架结构作为轨道桥梁单元，并综合考虑轴向变形作用，利用有限元分析方法对该模型在四轴车辆荷载作用下的车桥耦合效应进行分析，尤其是轨道剪力钉在车辆荷载冲击效应下的影响，以得到更为细致的桥梁在车辆荷载作用下所产生的耦合振动特性。

1.4研究的意义与价值

1.4.1对个人的意义

通过进行本次毕业设计，可以初步培养我们对于科研与本科专业领域的爱好，同时还让我们对进行科研工作的相关知识有了初步的学习，包括查阅中外文献、独立思考相关知识、学习相关专业软件等，培养创新意识。进一步对我本人而言，让我第一次接触到了车桥耦合这一领域。在进行毕业设计工作时，不仅让我复习、巩固在大学所学的相关理论知识，同时让我进一步学习了包括结构动力学、有限元等方面的知识，对MATALB软件的计算、建模操作也有了初步的了解。在使用MATLAB建模过程中，一方面是对于力学功底的考验，另一方面也是对编程语言的熟悉与掌握。同时，在与老师和研究生学长的沟通中，思维方式也开始进行了转变，寻找问题—解决问题—总结经验的思维模式也开始逐渐明晰，同时，独立思考的次数也更为频繁，逐渐养成思考的习惯。

1.4.2实践意义

随着经济和科学技术的不断发展，新建桥梁往往由于景观和建筑上的需要以及高强材料和薄壁结构的广泛应用而设计得较为细长柔软。桥梁跨径越来越大，材料越来越轻，刚度越来越小，使桥梁结构所承受的活载占总荷载的比例增大。

上述因素加强了车桥耦合振动在桥梁动力性能方面的影响，使交通车辆（铁路、公路、地铁）与结构（桥梁、隧道、房屋建筑等）的动力相互作用问题变的越来越突出，受到了人们的广泛关注。现在桥梁结构的振动已经成为影响桥梁的使用与安全的重要因素，因此，在桥梁的设计计算中都包含有求车辆荷载动力作用的内容。

利用平面钢架单元建立轨道与桥梁模型，在每个节点考虑三个自由度，即对于梁单元来说，除考虑平面弯曲状态外，还包括拉压状态变形形式。基于此，研究车辆荷载对于轨道横向的剪力钉的冲击效应。对于研究车辆荷载冲击下轨道各结构的受力与变形特性有重要意义，为相关轨道、桥梁设计工作提供参考，保障铁路桥梁系统的耐久性与安全性。

2.基本内容和技术方案

2.1基本内容

本次毕业设计题目为“钢混结合桥梁车桥耦合振动分析与剪力钉冲击效应研究”，基本任务是利用有限元分析方法，通过MATLAB程序对车辆—轨道—桥梁系统进行建模，分析模型在车辆冲击荷载作用下的车桥耦合振动效应，以及剪力钉的横向冲击效应。在此基础上

使用ANASYS软件对车辆—轨道—桥梁系统再次建模，进行建模采用不同的单元类型、荷载步长和计算模型进行计算，并和 MATLAB的分析结果进行简单的对比分析。综合考虑分析结果。

2.2技术方案

该毕业设计课题需要使用MATLAB软件编程，进行轨道桥梁系统的建模。在形成矩阵时，对弹性势能不变原理、Hamilton原理和Lagrange原理进行了比较分析，决定采用弹性势能不变原理和矩阵的对号入座法则构建运动方程。将车辆—轨道—桥梁视为一个系统，列出各个单元的重力势能、弹性应变能、阻尼力势能、惯性力势能的表达式，并对各个方程变分，对变分的结果运用对号入座法则，构建出总体的M、C、K矩阵，形成整个系统的有限元形式的运动方程，并对方程运用逐步积分法求解，最终得到系统的各个部分响应。

3.进度安排（2018.2.22-2018.6.7）

3.1 第1~3周（2.22-3.14）：查阅课题相关的文献，撰写开题报告书并交由指导老师查阅，老师检查通过后上传至教务系统；

3.2 第4~5周（3.15-3.29）：熟悉MATLAB模型建立方法及编程方法，学会初步使用MATLAB软件；

3.3 第6~8周（3.30-4.20）：在MATLAB中建立车辆—轨道—桥梁模型，求出各部分在车辆荷载作用下的响应

3.4 第9~12周（4.21-5.19）：分析车辆荷载作用下钢混桥梁的车桥耦合振动效应与剪力钉的冲击效应。

3.5 第13~15周（5.20-6.7）：撰写设计报告书，准备毕业答辩。

4.参考文献

4.1参考书籍

[1] 傅永华，有限元分析基础 [M].武汉大学出版社，2003.

[2] 张志涌，MATLAB教程 [M].北京航空航天大学出版社，2014

[3] 包世华，结构动力学.武汉理工大学出版社，2004

4.2参考文献

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[4] 张军，江克斌，胡业平 .车桥耦合动力学系统模态综合分析 [J].解放军理工大学学报（自然科学版）.2003.4(1):67-70.

[5] 张庆，史家钧胡振东.高速车辆-桥梁耦合振动分析 [J]. 振动与冲击.2003.22(2):49-52.

[6] 肖新标，沈火明 . 3 种车桥耦合振动分析模型的比较研究 [J].西南交通大学学报.2004(2):172-175.

[7] 蒋通，马超勇，张昕 . 弹性支承条件下车 - 桥体系的振动分析 [J]. 力学季刊.2004(2):256-263.

[8] 彭献，刘子建，洪家旺 .匀变速移动质量与简支梁耦合系统的振动分析 [J]. 工程力学.2006(6):25-29.

[9] 韩艳，夏禾，郭薇薇 .斜拉桥在地震与列车荷载同时作用下的动力响应分析[J]. 工程力学 .2006(1):93-98.

[10] 王运金 ,桂水荣 ,陈水生 .连续梁桥车桥耦合振动分析的数值解法 [J].华东交通大学学报.2007.24(4):25-29.

[11] 王贵春，潘家英，张欣 .大跨度铁路斜拉桥车桥耦合振动非线性分析 [J].应用力学学报.2008(3):524-528.

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