不同支撐下車橋耦合系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)分析

侯培海

（中航工業(yè)安徽開樂專用車輛股份有限公司，安徽 阜陽 236000）

0 引言

低架橋和電動平板小車共同構(gòu)成了小車-低架橋系統(tǒng)。在振華港機(jī)的設(shè)計方案中，3個平行的桁架梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成了低架橋系統(tǒng)并形成兩條集裝箱運輸線，電動平板小車運行在低架橋軌道上。

表1 低架橋組件表

如表1所示，低架橋由桁架梁、軌道、立柱等組成，桁架梁固結(jié)在中間及兩端立柱上，軌道布置在桁架梁上，立柱與立柱之間采用連桿結(jié)構(gòu)。圖1為低架橋結(jié)構(gòu)圖。電動平板小車由車輪、車體以及驅(qū)動電機(jī)等組成，長13.2 m，寬5.9 m，平板小車可并行放置兩個集裝箱，額定載重量為80t。

圖1 低架橋結(jié)構(gòu)圖

1 有限元模型

1.1 有限元模型

表2 低架橋、平板小車有限元模型

小車-低架橋系統(tǒng)中，無論低架橋還是小車，均為金屬桁架結(jié)構(gòu)，考慮到結(jié)構(gòu)特點和剪力因素，選用BEAM188單元建立小車和低架橋模型，同時計入了剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng)，如表2、圖 2、圖 3 所示。

圖2 低架橋的有限元模型

圖3 平板小車有限元模型圖

2.2 模態(tài)分析

分析低架橋和平板小車的固有特性，分別提取前20階固有特性，如表3所示。

表3 小車、低架橋前20階固有頻率

由表3和圖4可知，低架橋前幾階固有頻率有很大差異，如剛性支座第一階頻率為2.44 Hz，而柔性支撐只有0.85 Hz。而后幾階的頻率卻相同或相差不大，如第20階的頻率分別為 7.95 Hz、7.29 Hz、7.70 Hz 和 7.34 Hz，最大、最小頻率只相差8.3%。平板小車的第一階固有頻率為0，是因為沿X方向（軌道方向）的自由度沒有約束，存在剛體運動。

圖4 低架橋固有頻率變化趨勢圖

1.3 動力學(xué)響應(yīng)分析

1.3.1 載荷

當(dāng)平板小車在低架橋上運行時，小車的自重加上其滿載時的重量就是其作用在低架橋上的移動載荷，從資料中可獲知，平板小車的自重為181.2 kN。滿載的重量為80t。計算公式為

式中：F為移動載荷；G1為小車自重；G2為滿載重量。

因此，移動載荷F的大小為965.2 kN。

1.3.2 運行過程

假設(shè)瞬態(tài)分析的時間增量是0.05 s，小車從低架橋一端運行到另一端所需時間為17.75 s。

當(dāng)平板小車滿載從低架橋一端運行到另一端時，其間總行程為57.4 m，運行過程經(jīng)歷了勻加速、勻速和勻減速3個階段，其中小車勻加速和勻減速的時間都是3.5 s，加速度為1.143 m/s；勻速階段運行時間為10.75 s，速度4 m/s，如圖 5～圖 7 所示。

圖5 位移時間曲線

圖6 速度時間曲線

圖7 加速度時間曲線

1.3.3 結(jié)果分析

表4為不同支撐形式下各方向的最大位移，從表4可以分析得出以下幾點：

1）柔性支撐位移絕對值在X方向和Y方向上分別為1.17 mm和3.05 mm，均為最大值。其次滑動支撐分別為1.12 mm和2.9 mm。綜上說明采用鉛芯橡膠支座和摩擦滑移支座可以增加低架橋結(jié)構(gòu)的柔性，同時也能降低結(jié)構(gòu)的剛度。

2）在X方向、Y方向和Z方向，剛性支撐的位移絕對值均為最小，這說明較其它的支撐形式，剛性支撐有更好的剛度，然而其柔性是最差的。

3）在所有支撐形式下，Y方向的位移絕對值的最大值均分別出現(xiàn)在Y坐標(biāo)的5.8 m處和Z坐標(biāo)的7.1 m處，即平板小車的運行軌道。在平板小車滿載運行過程中，軌道處易產(chǎn)生最大的變形。

表4 不同支撐形式下各個方向的最大位移

2 結(jié)語

本文介紹了平板小車、低架橋結(jié)構(gòu)并建立有限元分析模型。通過模態(tài)分析得出平板小車和不同支撐形式下低架橋的固有頻率，并提取前20階進(jìn)行對比分析；對平板小車滿載時，經(jīng)歷勻加速、勻速和勻減速三種運行狀態(tài)從一端運行到另一端，在不同支撐形式下低架橋結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究分析，并詳盡比較了不同支撐形式下的響應(yīng)結(jié)果。

［1］ 范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

［2］ 蔣建軍.橋梁幾種典型減隔震裝置的減震效果比較與研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

［3］ 許若育.小車-低架橋機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

［4］ CHEN T Y.Minimum Weight Structure Subjected to both Natural Frequency and Frequency Response Constraints［C］//Proc of 10thIMAC，1991.