钢管混凝土系杆拱桥的建设近年来得到了快速发展。在桥梁正常运营过程中,车桥系统的安全性及车辆的舒适性问题日益受到关注。因此,开展对大跨度钢管混凝土拱桥的车桥耦合振动分析具有十分重要的理论意义和工程价值。以湖南省益阳市茅草街大桥为工程背景,建立双向四车道三跨连续自锚中承式钢管混凝土系杆拱桥的三维有限元分析模型。将车辆模拟为9自由度的三轴车辆模型。以车轮和桥梁接触面为界,把车辆和桥梁看成两个子系统。在此基础上,分别列出车辆、桥梁的振动微分方程。通过位移和力的协调条件将车桥两个子系统耦合起来,求解车桥系统的振动微分方程。采用Newmark-β法分析求解,并以有限元分析软件ANSYS为平台,编制APDL迭代求解命令流。运用MATLAB数值分析软件,按正态分布函数模拟随机车流。基于三角级数法建立了四种不同粗糙度的桥面不平顺样本,并以此为激励源,考虑不同路面不平顺等级、不同车速、有或没有横撑、不同吊杆截面面积、不同桥梁阻尼比等工况,计算车桥耦合振动响应,得到桥梁结构和车辆的动力响应时程曲线。分析在双向车流状态下各种因素对车桥系统动力响应的影响规律。本文对影响桥梁和车辆动力响应的多种因素进行分析,得到一些有益结论,对拱桥桥梁设计及车桥耦合振动研究提供参考。(1)随着路面不平顺程度的增加,桥梁跨中节点竖向振动位移峰值和竖向振动加速度峰值呈非线性增长;车辆各自由度对应的位移、加速度幅值均逐渐增大;冲击系数幅值均呈非线性增长。因此,桥面不平整度会加大桥梁、车辆的振动响应。(2)随着车速的增大,桥梁跨中节点竖向振动位移和竖向振动加速度幅值有所增加;车体竖向、侧倾振动加速度幅值总体随之增大;桥梁主梁跨中截面、桥梁中部吊杆及端部吊杆的冲击系数幅值随之先增大后减小,在车速为35 m/s时达到最大值。这说明车速的增大会加剧车桥耦合振动,从而增大主跨跨中动力响应。(3)拱桥中横撑布置对车桥耦合竖向振动的影响不大,其主要作用在于提高结构横向刚度和抗风能力。(4)随着吊杆截面面积的增加,桥梁主梁跨中节点竖向振动位移峰值随之近似呈非线性减小,桥梁主梁跨中节点竖向振动加速度峰值变化为先增大后减小;车体竖向振动位移、俯仰振动位移、侧倾振动位移幅值的变化极小;桥梁主梁跨中正应力的冲击系数幅值先减小后增大,在1倍原吊杆截面面积时达到最小值,因此单纯增大吊杆截面面积不能达到减小冲击系数的目的,而是需要找到一个最优的吊杆截面面积以使得冲击效应最小。(5)随着桥梁阻尼比的增大,桥梁主梁跨中节点竖向振动位移、加速度幅值随之近似呈线性减小;车体竖向振动位移幅值逐渐近似呈线性增加;桥梁冲击系数幅值随之小幅减小。因此阻尼比也是影响桥梁结构动力响应的一个重要因素。