基于車輛荷載作用下吊桿剛度對拱橋舒適性研究

杜祝遙

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714158

摘要：本文以某鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了移?dòng)車輛荷載作用下拱橋的舒適性影響因素以及各因素與舒適性的規(guī)律性關(guān)系。利用有限元軟件Midas/Civil建立模型，得出吊桿剛度對拱橋上行人舒適度有一定影響的結(jié)論，并得出相應(yīng)變化的規(guī)律性，為拱橋的設(shè)計(jì)和舒適性研究提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：舒適性；車輛荷載；吊桿

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家的基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)逐漸完成。橋梁數(shù)量的增多使車輛荷載作用下的舒適性研究也受到廣泛關(guān)注。車輛移動(dòng)引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)對橋上行人的心理、生理產(chǎn)生影響，對橋上行人的舒適性造成一定影響。本文通過有限元模擬，將車輛運(yùn)行時(shí)拱橋上因吊桿剛度不同產(chǎn)生的振動(dòng)特性進(jìn)行一定的模型建立及量化，分析影響因素規(guī)律性變化，得出結(jié)論對拱橋舒適性的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型與方法

本文模擬出車輛荷載在橋梁上的運(yùn)行后，計(jì)算出車輛運(yùn)行時(shí)拱橋的動(dòng)力響應(yīng)。所使用的動(dòng)力方程為式（1）：

Mt+Ct+Kxt=Ft（1）

其中M為質(zhì)量矩陣，C為剛度矩陣，K為阻尼矩陣。

首先要明確本文是以大跨鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)為研究對象的，而具有移動(dòng)特性的車輛荷載在對該大跨度的鋼管混凝土拱橋作用時(shí)，對于阻尼、剛度、質(zhì)量等特性來說影響是非常小的，所以在此次分析中忽略了阻尼、剛度、質(zhì)量等特性因素的影響。即認(rèn)為在移動(dòng)特性的車輛荷載作用時(shí)時(shí)矩陣KMC是不變量。由此得到動(dòng)力方程中只有Ft是隨時(shí)間變化的簡單函數(shù)，從而簡化了計(jì)算過程中多變量的復(fù)雜解題過程，可以得到較精確的計(jì)算結(jié)果。現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)荷載陣列Ft的合理確定決定著所得出的橋梁動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果的精確度。在有限元分析中每個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載都是隨時(shí)間變化而變化的，根據(jù)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上移動(dòng)車輛荷載為瞬時(shí)荷載，在有限元軟件Midas中將其模擬成三角形荷載。

本文在綜合比較后采用這種其所提出的振動(dòng)感覺指標(biāo)進(jìn)行橋上行人的舒適性評定。其計(jì)算如下：

S=Vmax/2 ，VGL=20lg（S/S0）（2）

式（2）中S為振動(dòng)刺激。Vmax為速度最大值，單位為cm/s。VGL為振動(dòng)大小水平。S0為常數(shù)系數(shù)，S0=1.4×10-2cm/s。

根據(jù)所求的不同VGL，用公式（3）求得振動(dòng)大小

lgVG=0.05（VGL-40），VGL≤40dBlgVG=0.03（VGL-40），VGL>40dB （3）

振動(dòng)大小與行車舒適度的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。

2 吊桿剛度對橋梁舒適度的影響

吊桿在鋼管混凝土拱橋系統(tǒng)的作用是將縱梁和橫梁系統(tǒng)懸掛在拱肋下，橋面上的車輛荷載通過吊桿和橋面系將作用力傳遞到拱肋上，吊桿的作用在拱橋中是不可忽視的。目前現(xiàn)有的鋼管混凝土拱橋吊桿材料基本都采用加預(yù)應(yīng)力的1860鋼絞線。本次研究時(shí)主要通過改變吊桿的直徑來改變吊桿的剛度分析對舒適性的影響。拱橋原設(shè)計(jì)拱肋直徑為50mm的截面，為研究吊桿剛度變化對移動(dòng)車輛荷載作用下的鋼管混凝土拱橋上行人舒適性的影響，通過改變吊桿直徑而保持其余條件不變來實(shí)現(xiàn)，截面直徑共分為三種工況，吊桿直徑分別為80、50、30mm。根據(jù)這三種工況模擬計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行對比分析，以60km/h（設(shè)計(jì)時(shí)速）的車輛荷載在拱橋上運(yùn)行進(jìn)行時(shí)程分析運(yùn)算，提取出需要結(jié)果。車輛運(yùn)行速度為設(shè)計(jì)時(shí)速時(shí)在各工況下提取出的節(jié)點(diǎn)豎向速度最大值。

各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)大小VG值是隨著吊桿直徑的增加而減小的，說明吊桿剛度增大時(shí)拱橋上行人舒適性是不斷提高的。當(dāng)?shù)鯒U直徑減小為30mm時(shí)，VG最值超過1.12，舒適度等級降低到3級。當(dāng)?shù)鯒U直徑增大到80mm時(shí)，VG最值降為0.82，舒適度等級為2級。因此得出結(jié)論，增大吊桿截面尺寸會(huì)提高橋上行人的舒適性。

3 結(jié)論

舒適度影響已經(jīng)成為拱橋在設(shè)計(jì)時(shí)除穩(wěn)定性和強(qiáng)度以外的新的設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)。本文通過有限元分析，模擬出了在相同速度同重量的移動(dòng)車輛荷載下不同的吊桿剛度對鋼管混凝土拱橋產(chǎn)生的量化的舒適度的影響得到以下結(jié)論：吊桿的剛度對橋上行人的舒適性也是有一定影響。吊桿剛度增大時(shí)拱橋上行人舒適性是不斷提高的，即增加吊桿剛度能夠提高拱橋上行人舒適性。

參考文獻(xiàn)：

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