高速公路大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋車橋耦合振動(dòng)分析
摘要：綜述了大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了研究梁橋的強(qiáng)迫振動(dòng)問題的簡化的計(jì)算模型。結(jié)合目前相關(guān)研究，重點(diǎn)探討了車輛類型及荷載、速度以及路面不平度對對橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響。
關(guān)鍵詞：大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋；動(dòng)力響應(yīng)；耦合振動(dòng)
隨著公路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，車輛與橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用越來越受到重視。車輛和橋梁間的相互作用的影響因素復(fù)雜[1]：
1)車輛的動(dòng)力特性(車型、阻尼、自振頻率等)；
2)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性(質(zhì)量與剛度分布、橋跨結(jié)構(gòu)形式、材料阻尼等)；
3)橋頭引道和橋面的平整狀態(tài)、伸縮縫裝置及橋頭沉陷的狀況。
1大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)濟(jì)的騰飛助推了高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，隨著懸臂節(jié)段施工法(包括懸拼和懸澆)、高強(qiáng)混凝土技術(shù)和大噸位后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)的不斷發(fā)展，大跨徑橋不斷出現(xiàn)。而連續(xù)剛構(gòu)橋利用主墩的柔性能適應(yīng)橋梁較大的縱向變形，特別適用于高墩大跨連續(xù)梁橋中，以其獨(dú)特的優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展。連續(xù)剛構(gòu)橋梁墩固結(jié)、梁體連續(xù)，既保持了行車平順、連續(xù)梁無伸縮縫的優(yōu)點(diǎn)，又保持了T型剛構(gòu)橋不需轉(zhuǎn)換體系和不設(shè)支座的優(yōu)點(diǎn)，這方便懸臂施工，且順橋向具有很大的橫向抗扭剛度和抗彎剛度，能滿足特大跨徑橋梁的受力要求。
2梁橋的車輛強(qiáng)迫振動(dòng)
汽車在過橋時(shí)，由于車輛自身軸重及速度效應(yīng)，會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。當(dāng)橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率與移動(dòng)車輛形成的外荷載頻率相等或接近時(shí)，會(huì)引起車橋系統(tǒng)的共振，對橋梁的工作狀態(tài)和使用壽命產(chǎn)生直接影響。然而，由于車、橋的耦合作用及許多參數(shù)的不確定性，使得梁橋的強(qiáng)迫振動(dòng)問題變得非常的復(fù)雜。
3車橋耦合振動(dòng)影響參數(shù)分析
由于影響車橋振動(dòng)的因素很多，通過橋梁的車輛類型、車輛荷載的流量大小、行駛速度、車輛的行駛位置、車輛間距、軸重、車輛的動(dòng)力持性等均有明顯的隨機(jī)性，是無法預(yù)知的。本文從有關(guān)文獻(xiàn)資料來看，影響橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的主要有以下幾種：
3.1車輛類型及荷載對橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響
不同的車輛的動(dòng)力特性以及車輛的豎向和橫向自振頻率不同，車橋耦合系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)及沖擊系數(shù)有明顯差異。如張黎明研究了不同車輛類型對橋梁中跨跨中動(dòng)力響應(yīng)的影響。其結(jié)果表明橋梁的動(dòng)力響應(yīng)受車輛類型影響顯著。具體結(jié)果見下表。
表1.不同車型工況下中跨跨中動(dòng)力響應(yīng)及沖擊系數(shù)[4]
從上表知，棟梁在廂式貨車作用下的加速度響應(yīng)和中跨跨中豎向位移響應(yīng)都大于福特汽車作用時(shí)。從橋梁的豎向加速度響應(yīng)分析可以看出，廂式貨車豎向加速度RMS值（0.008）明顯大于小汽車（0.004）。車體橫向加速度和豎向加速度隨著行車位置改變而改變，并不一定出現(xiàn)在車行至橋梁跨中處。筆者認(rèn)為引起諸如上述差別可能不僅與車輛類型有關(guān)，可能由于車輛荷載也有直接關(guān)系。Kawatnazli[5]研究了橋梁動(dòng)力反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差RMS及移動(dòng)車輛的特征對橋梁車輛振動(dòng)反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，在20t車輛荷載作用下，外梁響應(yīng)力反應(yīng)的RMS值小于內(nèi)梁的RMS值；然而，當(dāng)在25t車輛荷載的作用下，荷載位置在大約跨徑的3/10時(shí)，外梁應(yīng)力反應(yīng)的RMS值大于內(nèi)梁的。結(jié)果還表明，路面粗糙度的參數(shù)對車橋振動(dòng)反應(yīng)的影響非常顯著，即使在考慮扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況下亦是如此.
3.2車輛速度對車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響
車輛過橋速度對橋的影響受到眾多學(xué)者關(guān)注。當(dāng)車輛過橋速度較大時(shí)，車體的最大豎向加速度一般也隨著增大，顛簸程度較厲害，但橋的最大擾度并不一定是單調(diào)增加的。車體豎向加速度的變化直接指示著行車的顛簸程度，所以日常生活中，我們可以通過減緩行駛速度來減少車體的顛簸程度，從而提高行車的舒適度。但是車在橋上行駛的時(shí)間相對較短，使得顛簸的次數(shù)減少，同時(shí)車體豎向位移及豎向加速度隨著行車位置改變而改變。車輛的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)并不是隨著速度的增加而增大，換句話說，車輛的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)不與速度成正比關(guān)系。瞿偉廉[6]通過建立了車輛的橋梁的模態(tài)模型和三維離散自由度模型，對萬州長江大橋的車橋耦合振動(dòng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明當(dāng)車速為80km/h到100km/h時(shí)，無論是橋梁還是車輛，其動(dòng)力響應(yīng)并沒有因車速的變化而產(chǎn)生較大的影響，只是略有增長，其中對橋梁跨中橫向位移影響最小，而橋梁跨中橫向加速度變化比較明顯。
3.3路面不平順對車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響
路面不平順是施工過程中一些難以人為控制的偶然因素造成的，如氣候、環(huán)境、施工、材料等以及交通重復(fù)荷載的作用而形成的。地面表面的崎嶇不平在公路和機(jī)場工程中被稱為不平度。實(shí)際上，從空間尺度上來講，任何不規(guī)則的表面，小到幾個(gè)毫米的村料表面，大至地面縱向成百上干米的高低起伏的地貌都應(yīng)屬于不平度的范疇
據(jù)研究，車身固有頻率在60～85次/min(1～1.4Hz)內(nèi)，人的感受較舒適，當(dāng)f≥150次/min時(shí)，人有明顯沖擊感覺，而f≤40次/min時(shí)，人有暈船的感覺。車輛行駛過程中，除了以上幾個(gè)參數(shù)外，橋面平整度也會(huì)直接影響車橋耦合振動(dòng)，當(dāng)這種振動(dòng)達(dá)到一定的程度，乘客會(huì)感到疲勞和不舒適。路面不平順對車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)影響較大。從計(jì)算的角度來看，若不考慮橋面平整度，則得出的動(dòng)撓度值明顯小于考慮橋面平整度時(shí)的動(dòng)撓度值。張黎明在其碩士論文中分別采用光滑、A、B、C四種路面，研究不同路面等級(jí)對車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果如表2.。
表2.不同路面等級(jí)下車輛動(dòng)力響應(yīng)[4]
從表2.可以看出，橋面不平順狀態(tài)是改變車輛動(dòng)力響應(yīng)的一個(gè)重要因素。隨著路況的變壞，車體豎向振動(dòng)顯著增大，車體的豎向加速度響應(yīng)也隨著路況的惡化迅速增大。C級(jí)路面豎向加速度最大值是A級(jí)路面的4倍左右。車輛的動(dòng)力響應(yīng)主要由路面不平順和橋梁變形兩部分激勵(lì)綜合作用產(chǎn)生。橋梁變形對車輛動(dòng)力響應(yīng)的貢獻(xiàn)較小，而車體的動(dòng)力響應(yīng)主要還是由路面不平順控制。隨機(jī)不平順對橋梁沖擊響應(yīng)影響也帶來較大隨機(jī)性，同時(shí)橋面不平順和車速激勵(lì)頻率與車橋耦合系統(tǒng)固有頻率接近會(huì)使橋沖擊響應(yīng)顯著增大。有研究表明，影響橋梁沖擊系數(shù)最重要的兩個(gè)因素是列車上橋的初始條件和軌道不平順，車輛初始運(yùn)動(dòng)以及軌道不平順引起的沖擊系數(shù)分別占橋梁沖擊系數(shù)總值的40%左右，兩者之和大約占橋梁沖擊數(shù)系的80%。
4結(jié)語
綜上所述，影響車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)的因素眾多且具有隨機(jī)性。本文主要探討了車輛類型及荷載、速度和路面不平度對車橋系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。一定范圍內(nèi)車速對舒適度有顯著影響，同時(shí)路面不平順對車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)影響較大。因此，提高路面等級(jí)或加強(qiáng)路面養(yǎng)護(hù)能有效地提高車輛的行駛平穩(wěn)性，延長橋梁的使用壽命和改善車橋耦合動(dòng)力相互作用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王永平,陳彥江,付金科.單車荷載下簡直梁的動(dòng)力特性和響應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),1995,28(5):39-46.
[2] 宋一凡.公路橋梁動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000.74-94.
[3] 張黎明.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋車橋藕合振動(dòng)研究[D].成都,西南交通大學(xué).2007.
[4] Kawatani，M.，andKOmatsu，.Nonstationaryrandomresponseofhighwaybridgesunderaseriesofmovingvehicles，StruturalEngineering/EarthquakeEngineering，JSCE，5(1988)，No.2，285-292.
[5] 瞿偉廉,劉嘉.萬州長江大橋車橋耦合振動(dòng)的研究[J],華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版),2004,9(21):1-4.
