公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)研究

任俊帥

山西交投忻阜高速公路管理有限公司 山西 忻州 035500

1 公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)研究的意義

1.1 降低對(duì)橋梁的不利影響，確保橋梁安全

車(chē)輛經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)會(huì)發(fā)生耦合振動(dòng)，橋梁和行駛的車(chē)輛都容易產(chǎn)生安全問(wèn)題，而且高墩大跨一般建在地勢(shì)崎嶇之處，車(chē)橋耦合導(dǎo)致的過(guò)大振動(dòng)會(huì)引起人們心理上的不適。先對(duì)已投入使用的橋梁進(jìn)行耦合振動(dòng)研究，再在后續(xù)的橋梁構(gòu)建中引入相關(guān)研究成果，確保橋梁結(jié)構(gòu)和橋上行駛車(chē)輛的安全，改善乘車(chē)人員的心理狀態(tài)，減少貨物損失，更好地發(fā)揮公路橋梁為社會(huì)、人類(lèi)和經(jīng)濟(jì)服務(wù)的作用。

1.2 為我國(guó)公路橋梁事業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)高速公路的快速擴(kuò)建，近年來(lái)我國(guó)又大力推行“一帶一路”，加強(qiáng)了對(duì)中西部地區(qū)公路和橋梁的建設(shè)，由于地形、建設(shè)經(jīng)費(fèi)、建設(shè)周期等原因，公路大跨徑連續(xù)體系橋梁成為大多數(shù)設(shè)計(jì)者們的首選方案，高墩大跨橋梁的建設(shè)數(shù)量日益增加。公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)的研究有著重大的實(shí)際應(yīng)用意義，其研究成果將會(huì)為后續(xù)的公路和橋梁建設(shè)帶來(lái)重要的參考和借鑒，更為我們帶來(lái)更加安全的行車(chē)環(huán)境和行車(chē)體驗(yàn)，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[1]。

2 車(chē)橋耦合振動(dòng)的研究方法

研究車(chē)橋耦合振動(dòng)一般采用試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法。先找一個(gè)實(shí)例進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證理論是否正確，如果正確，再用理論模型進(jìn)行車(chē)橋耦合振動(dòng)的仿真分析。下面是對(duì)車(chē)橋耦合振動(dòng)的分析和研究方法的一些講述和探討。

2.1 橋梁的振動(dòng)分析模型

橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模型的影響因素包括橋梁的結(jié)構(gòu)、斷面構(gòu)造和梁的片數(shù)等。現(xiàn)在的主要分析模型是有限元法和模態(tài)坐標(biāo)法。有限元法重視單元類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的離散方式的選取，這兩者一旦確定，模型便初具雛形，根據(jù)這兩者的不同，橋梁的振動(dòng)分析方法又分為桿系模型和格排梁模型。在實(shí)際運(yùn)用中，有限元法不適合構(gòu)建大型橋梁的模型，它的計(jì)算量過(guò)大且對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高；而模態(tài)坐標(biāo)法忽視了模型結(jié)構(gòu)的非線性，要求主梁為等截面或近似等截面，使用時(shí)受到實(shí)際情況的限制，無(wú)法評(píng)價(jià)橋梁局部振動(dòng)。后來(lái)研究者對(duì)兩種分析模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了模態(tài)綜合法。

2.2 車(chē)輛分析模型

在車(chē)橋耦合振動(dòng)分析中，比較重要的是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的分析，車(chē)輛分析模型在滿足實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度的前提下可以盡量簡(jiǎn)化，降低算法的難度，便于將得出的研究成果進(jìn)行推廣。在車(chē)橋耦合振動(dòng)分析中，車(chē)輛一般簡(jiǎn)化為車(chē)身，輪軸，用來(lái)模擬車(chē)身與輪軸間的懸架以及輪胎的彈簧和阻尼器。一般只要確定了車(chē)軸數(shù)和其他部件的運(yùn)動(dòng)自由度，模型搭建基本上就成功了。現(xiàn)在車(chē)輛分析模型主要有三種，包括三維車(chē)輛模型、平面車(chē)輛模型和仿真模型。

2.3 路面不平整度

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，路面的平整度對(duì)車(chē)橋耦合振動(dòng)也有著較大的影響。對(duì)于PC橋梁，車(chē)輛通過(guò)不平整橋面時(shí)對(duì)橋的影響較顯著大；對(duì)于斜拉橋，在接近橋塔的主梁受橋面不平整度沖擊大，主塔塔基處彎矩會(huì)出現(xiàn)較大數(shù)值，而且對(duì)斜拉索的沖擊效果變化很大，最短的斜拉索受其影響最大，隨著長(zhǎng)度的而增加，斜拉索受其影響越來(lái)越小。

2.4 耦合力的求解

車(chē)輛的第i輪軸對(duì)橋梁的作用力為：

FiB=KityreΔi+CityreΔ·i+FiGV，其中Δi=Zityre-UiBR(xi)。Kityre、Cityre分別表示車(chē)輪的第i輪軸豎向剛度和阻尼系數(shù)；Δi指第i輪軸與橋面間的相對(duì)位移；FiGV是第i輪軸分擔(dān)的車(chē)體重力分量；Zityre指第i輪軸的豎向位移；UiB是橋梁在第i輪軸處的位移；R(xi)代表橋梁在第i輪軸處的不平整值。由于車(chē)橋耦合振動(dòng)方程是一個(gè)非線性方程，所以一般采用逐步積分法，包括線性加速度法、Willson-θ法和Newmark-β法等[2]。

3 如何更好地促進(jìn)公路大跨徑連續(xù)體系橋梁的發(fā)展

3.1 重視橋梁的橋面平整度

車(chē)輛運(yùn)行的振動(dòng)狀態(tài)受橋面的平整度影響較大，工程設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到包含橋面平整度參數(shù)的沖擊系數(shù)公式，不同平整度的橋面要及時(shí)調(diào)整沖擊系數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)橋面平整度下降時(shí)，橋梁養(yǎng)護(hù)維修部門(mén)要重視并及時(shí)采取措施提高橋面平整度，減少不平橋面對(duì)通過(guò)的車(chē)輛的不利影響。

3.2 車(chē)輛在運(yùn)行時(shí)要注意運(yùn)行速度和車(chē)間距

公路大跨徑連續(xù)體系橋梁的振動(dòng)設(shè)計(jì)基頻不能和單車(chē)輛、多車(chē)輛振動(dòng)頻率相同，多車(chē)輛通過(guò)橋梁時(shí)，如果有長(zhǎng)時(shí)間的一致車(chē)速與車(chē)間距容易產(chǎn)生頻繁的車(chē)橋耦合共振問(wèn)題。為了解決出現(xiàn)的車(chē)橋耦合振動(dòng)問(wèn)題，公路橋梁管理部門(mén)在運(yùn)營(yíng)時(shí)可在不同的車(chē)道、不同的道路間隔之間設(shè)置減速標(biāo)志使各車(chē)道的車(chē)速及車(chē)間距不一致，減小車(chē)橋共振概率。還可以通過(guò)加裝液體黏滯阻尼器來(lái)控制高墩大跨徑連續(xù)體系橋梁車(chē)橋耦合共振[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

公路橋梁的車(chē)橋耦合振動(dòng)問(wèn)題影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。一方面，高速行駛的車(chē)輛會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和使用壽命產(chǎn)生較大的沖擊影響；另一方面，橋梁的振動(dòng)反過(guò)來(lái)影響了車(chē)輛的安全平穩(wěn)行駛狀態(tài)。對(duì)公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)的研究能夠使橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加完善和實(shí)用化，有關(guān)部門(mén)可以和高校或者處在技術(shù)前沿的企業(yè)合作，根據(jù)實(shí)際情況建設(shè)維護(hù)公路和橋梁，更好地為社會(huì)服務(wù)。