基于新理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)方法研究

趙勝利　王鑫

【摘 要】主要結(jié)合參考文獻(xiàn)資料，介紹了橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)行車舒適性影響的主要因素，針對(duì)現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)方法，提出了基于行車舒適性新理念下的的橋梁設(shè)計(jì)概念，在橋梁的設(shè)計(jì)中，加入舒適性指標(biāo)的因素，形成行車舒適性理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)新方法。

【關(guān)鍵詞】行車舒適性；預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁；設(shè)計(jì)

1 行車舒適性在橋梁設(shè)計(jì)中的影響因素分析

車汽車輛在橋梁上行駛與在道路上行駛相比，橋梁引起車輛振動(dòng)的原因尚涉及橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，橋梁上拱和橋面鋪裝平整度。橋梁橋面鋪裝平整度對(duì)行車舒適性的影響與道路路面平整度類似，所以需要討論總結(jié)前兩者的作用。

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)

在車輛動(dòng)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這種振動(dòng)除會(huì)增大按靜力計(jì)算的內(nèi)力和可能引起結(jié)構(gòu)局部疲勞損傷外，會(huì)形成影響橋上行車舒適與安全的振動(dòng)變形和加速度。車輛動(dòng)荷載相對(duì)于橋梁來說，屬于擾動(dòng)力，此擾動(dòng)力的頻率與橋梁的固有頻率相等時(shí)，則此“汽車-橋梁”耦合系統(tǒng)發(fā)生共振，這時(shí)，橋梁振動(dòng)的振幅將隨時(shí)間逐步增長(zhǎng)至一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值，橋梁對(duì)橋上行車舒適性的影響也最大。分析“汽車-橋梁”耦合振動(dòng)系統(tǒng)，要分析其共振條件。由于汽車車輛荷載是移動(dòng)的，而且其本身也是一個(gè)帶有質(zhì)量的振動(dòng)系統(tǒng)，使“汽車-橋梁”耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性隨荷載位置的移動(dòng)而不斷變化，其結(jié)果是共振條件只能在短時(shí)間內(nèi)滿足，并且車輛荷載在橋上通過的時(shí)間也是有限的。這是“汽車-橋梁”耦合振動(dòng)的特點(diǎn)。

1.2 橋梁的上拱

橋梁過度上拱，導(dǎo)致橋面呈波浪形，車輛高速通過時(shí)，橋面的高低起伏給車輛的車輪施加位移動(dòng)擾動(dòng)，這種激勵(lì)導(dǎo)致車輪振動(dòng)，進(jìn)而引起車身異常振動(dòng)，嚴(yán)重降低了行車舒適性，使汽車司乘人員產(chǎn)生不安全感。

公路橋梁，尤其梁式橋汽車荷載占的比例小，結(jié)構(gòu)剛度大，車輛（小型車）與橋梁的動(dòng)力耦合作用不明顯。但對(duì)于中小跨度梁式橋，由于其它因素，如多跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁的長(zhǎng)期上拱形成的有規(guī)律的波形擾動(dòng)對(duì)行車舒適性的影響被忽視。

對(duì)于多跨等跨的中小跨徑橋梁而言，梁體上拱形成了周期性的波形線形，對(duì)高速行車造成了有規(guī)律的波形擾動(dòng)，當(dāng)車輛以一定的速度V（速度較快）通過該多跨橋梁時(shí)，擾動(dòng)周期T=L/V，擾動(dòng)頻率f=1/T=V/L，當(dāng)擾動(dòng)頻率接近或達(dá)到車輛懸掛系的固有頻率時(shí)，則橋梁徐變上拱對(duì)車輛振動(dòng)響應(yīng)的放大作用最大，嚴(yán)重影響行車舒適性。

2 基于新理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)探討

2.1 行車舒適性理念下的設(shè)計(jì)

據(jù)了解，目前我國(guó)公路橋梁的設(shè)計(jì)諸多原則中，并不包括使用舒適（即行車舒適）這一概念。目前的設(shè)計(jì)原則中，包含了適用耐久的這一原則，雖然包括了“橋梁結(jié)構(gòu)在通過設(shè)計(jì)荷載時(shí)不出現(xiàn)過大的變形和過寬的裂縫”的基本做法內(nèi)容，但是使用中的橋梁出現(xiàn)的“過大的變形”的程度并未得到控制和處理，世紀(jì)鐘，車輛荷載作用下的過大撓度對(duì)行車的舒適性造成了很大的影響和干擾，而這些內(nèi)容，對(duì)于引起行車不舒適的過大上拱問題，設(shè)計(jì)原則中并未進(jìn)行過多的說明。

橋梁作為一種特殊的產(chǎn)品，由于其巨額的建設(shè)成本，以及建成后所帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)效益，更是需要橋梁設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念與時(shí)俱進(jìn)，突出以人為本的設(shè)計(jì)理念，把使用者（即司乘人員）的需求及時(shí)不斷地體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中。正因如此，論文結(jié)合文獻(xiàn)資料，基于行車舒適性的設(shè)計(jì)理念下，將使用舒適作為橋梁設(shè)計(jì)的一個(gè)原則，在設(shè)計(jì)中不僅保證安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀，還需保證使用階段司乘人員的行車舒適性。

2.2 行車舒適性理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)

相關(guān)參考資料研究，對(duì)于一定設(shè)計(jì)行車速度下，一定跨數(shù)組合的梁式橋（即多跨中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁），梁體過度上拱是引起行車不舒適的主要原因。通過建立雙自由度的1/4車輛簡(jiǎn)化模型，模擬過橋車輛，可建立行車舒適程度與上拱度值之間的直接的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而可以用上拱度值這一設(shè)計(jì)指標(biāo)，直觀的反應(yīng)行車舒適性。

行車舒適性屬于使用性能，在梁式橋的設(shè)計(jì)中屬正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)范疇。目前我國(guó)公路橋規(guī)規(guī)定，在橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的持久狀況中，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)涉及構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度三個(gè)方面的驗(yàn)算，而對(duì)直觀反映行車舒適性的橋梁上拱度值，則未提及。而事實(shí)上，由于司乘人員對(duì)橋梁行車舒適性方面的需求越來越強(qiáng)烈，行車舒適性應(yīng)該成為橋梁設(shè)計(jì)所必須考慮的因素指標(biāo)之一。

高速公路中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)必須考慮行車舒適性的需求，體現(xiàn)行車舒適性的設(shè)計(jì)理念，行車舒適性指標(biāo)通過橋梁梁體上拱度值反映出來?；谛熊囀孢m性理念下的中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的基本設(shè)計(jì)方法為：

在進(jìn)行持久狀況的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，除涉及原有的構(gòu)件抗裂、裂縫寬度和撓度三方面的驗(yàn)算外，還需要加上構(gòu)件上拱度的驗(yàn)算，上拱度值不應(yīng)超過最大允許上拱度值[d]（即不影響行車舒適性的最大上拱度值）?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，高速公路設(shè)計(jì)行車速度有80、100、120km/h三種標(biāo)準(zhǔn)，因此具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)行車速度選用與之相對(duì)應(yīng)的最大允許上拱度值[d]進(jìn)行計(jì)算處理。

橋梁上拱度是由偏心預(yù)加力Np引起的上撓度和恒載所產(chǎn)生的下?lián)隙葍刹糠纸M成。與橋梁撓度計(jì)算相比，上拱度計(jì)算不計(jì)活荷載作用。有研究資料表明，由于車輛高速行駛（時(shí)速80km/h及以上）時(shí)，車間距較大（交通法規(guī)規(guī)定：高速公路行車的安全距離（車間距），正常情況下，行駛時(shí)速100km/h時(shí)，為100m以上；時(shí)速70km/h時(shí)，為70m），對(duì)于中小跨徑橋梁而言，同時(shí)通過某一跨橋梁的車輛數(shù)量很少，即同時(shí)作用在某一跨橋梁上的活荷載很小，因而此時(shí)活荷載對(duì)橋梁產(chǎn)生的下?lián)隙纫埠苄?，基本可以忽略。故?jì)算橋梁上拱度時(shí)，只考慮預(yù)加力和恒載的作用，而忽略活荷載的作用，此種做法是可行的。

在預(yù)加力作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的上撓度可根據(jù)給定的構(gòu)件剛度用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算。預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件隨時(shí)間的增長(zhǎng)，由于混凝土收縮徐變將導(dǎo)致構(gòu)件負(fù)曲率增大以及混凝土彈性模量降低等原因，使得上拱度增加，所以計(jì)算構(gòu)件上拱度時(shí)必須考慮長(zhǎng)期影響。因此，預(yù)加力引起的上撓度需乘以長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)取值為2，恒載引起的下?lián)隙刃璩艘蚤L(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)，既可以計(jì)算出滿足基于行車舒適性的中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)方法要求的滿足使用階段長(zhǎng)期徐變上拱的橋梁上拱度值。

3 結(jié)語

快速交通的當(dāng)今環(huán)境背景下，舒適性作為橋梁使用性能的一個(gè)方面顯得尤為重要，隨著行車速度的不斷加快，基于舒適性的橋梁設(shè)計(jì)方法的研究愈發(fā)顯的迫切。由過度徐變上拱帶來的諸多橋梁?jiǎn)栴}，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)滿足司乘人員對(duì)行車舒適性需求做到充分的重視和考慮，未來預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)把行車舒適性作為必須考慮的因素之一，從控制橋梁過度徐變上拱的角度尋求滿足行車舒適性的設(shè)計(jì)方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王英杰.考慮車體柔性的車-轎動(dòng)力響應(yīng)分析及行車舒適性影響因素研究[D].北京交通大學(xué)，2011.

[2]李黎，葉志雄，王欣，胡亮.移動(dòng)荷載作用下特大懸索橋的行車舒適性[J].公路交通科技，2007，9.

[3]陳階亮，裘新谷.人行橋振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀[J].橋梁建設(shè)，2010，1.

[責(zé)任編輯：劉展]