車橋耦合振動方法評述

【摘要】車輛通過橋梁時將引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，而橋梁的振動又反過來影響車輛的振動，這種相互作用，相互影響的問題就是車輛與橋梁之間的車橋耦合振動問題，利用車輛荷載作為激勵，研究車橋耦合從而獲得橋梁振動響應(yīng)，逐漸被應(yīng)用到工程領(lǐng)域中。

【關(guān)鍵詞】車橋耦合；橋梁評估

近年來，隨著中國交通運(yùn)輸系統(tǒng)的不斷完善，交通高速化、重載化以及結(jié)構(gòu)輕型化趨勢日益增強(qiáng)，車輛與結(jié)構(gòu)（道路、橋隧結(jié)構(gòu)等）相互之間的動力耦合問題變得尤為突出。對車輛與結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)地綜合分析研究，對于承受移動荷載作用的交通土建工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計、建造、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)與檢測均具有十分重要的意義。

1、車橋耦合振動研究經(jīng)典理論及研究

1.1國外方面

1）勻速移動常量力理論：1905年，俄國學(xué)者Krylov A N[1]首次研究了在勻速恒定力作用下簡支梁的振動問題，由于當(dāng)時的局限性，他的理論中車橋系統(tǒng)無耦合，相對較為簡單。

2）勻速移動簡諧力理論：1922年，Timoshenko S[2]研究了一個簡諧力勻速通過簡支梁的情況，能夠反應(yīng)出車輛荷載的一些基本特點(diǎn)。

3）勻速滾動質(zhì)量理論：1937年，Schauenkamp[3]開辟思路，考慮到質(zhì)量慣性力的移動荷載影響，來分析簡支梁的動力響應(yīng)問題，并得出了理論解。

4）勻速移動質(zhì)量一彈簧模型：1954年，Biggs[4]提出了將車輛分解為一個由質(zhì)量和彈簧組成的系統(tǒng)，極大地推動了車橋耦合振動研究的進(jìn)展。

1.2國內(nèi)方面

1941年，李國豪[5]教授首次研究了懸索橋在鐵路列車荷載作用下的強(qiáng)迫振動問題和拱橋的車輛振動問題，此后，國內(nèi)隨即展開了對車橋耦合振動的研究。80年代初，鐵道部科學(xué)研究院程慶國院士、潘家英研究員[6]指導(dǎo)其博士生們對車橋耦合振動進(jìn)行了研究。1983年，張健峰[7]探討了大跨度斜拉橋的橫向剛度問題。80年代中期，西南交通大學(xué)沈銳利[8]詳細(xì)研究了剛桁梁橋的車橋空間耦合問題；北方交通大學(xué)夏禾、閻貴平[9]等研究了考慮車-橋-墩-基礎(chǔ)系統(tǒng)的相互作用、車橋系統(tǒng)動力可靠性等問題，得到了許多有價值的結(jié)論。

1996年，譚國輝[10]將車橋看作一個整體，采用格柵比擬的方法，將一維的格柵橋梁與二維的車輛模型組合起來模擬他們之間的關(guān)系及相互作用。

2000年，林梅、肖盛燮[11]基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)，分析了連續(xù)梁橋在車載作用下的動態(tài)性能，結(jié)合模型數(shù)值模擬，討論了不同車型、不同車速作用下的橋梁動態(tài)響應(yīng)變化，以此分析影響結(jié)構(gòu)動態(tài)性能的主要因素。2004年，陳炎[12]用正弦波模擬橋面不平整度，指出路面的不平整度不可忽略。2006年，周新平[13]在長安大學(xué)宋一凡教授的指導(dǎo)下，采用有限元ANSYS數(shù)值分析軟件，通過有限元迭代分析方法對車橋耦合振動進(jìn)行分析研究。

2、車橋耦合振動研究模型

在橋梁的分析模型方面，主要有限元數(shù)值模擬法（簡稱有限元法）和模態(tài)分析法。由于模態(tài)分析法局限性較大，且不適用于評價橋梁的局部振動。隨著計算機(jī)程序的不斷進(jìn)步及有限元理論的發(fā)展，有限元法已成為建立橋梁模型的主要方法。對有限元法而言，最為重要的是（1）單元類型的選?。?）結(jié)構(gòu)的離散方式（3）車輛仿真模型（4）求解方法。

大多數(shù)研究者利用有限元法進(jìn)行車橋耦合振動問題的求解，一種是將車輛與橋梁看作兩個子系統(tǒng)分別模擬，形成不同的模型，根據(jù)車輪和橋梁接觸點(diǎn)處位移協(xié)調(diào)條件和力的平衡條件等進(jìn)行迭代求解；另一種是將車輛與橋梁模擬成一個整體，使二者的剛度、質(zhì)量、阻尼、自由度等高度耦合，共同分析。

3、發(fā)展前景

研究車橋耦合問題是試圖通過車輛的振動響應(yīng)來檢測橋梁的性能。橋梁在運(yùn)營過程中，承受的是車輛作用下的動荷載，對橋梁進(jìn)行檢測時，中斷交通相對不方便，所以利用車輛荷載作為激勵既方便又經(jīng)濟(jì)，逐漸被應(yīng)用到工程領(lǐng)域中，具有較好的發(fā)展前景。