車載作用下小跨徑公路簡支梁橋沖擊系數(shù)研究

李積慧

摘要：橋梁抗沖擊能力是橋梁的重要應(yīng)用性能之一，其決定了橋梁的安全性及車輛的平穩(wěn)性與舒適性。文章為研究不同類型橋梁、不同橋梁振動基頻、不同橋面平整度及不同車速等多因素影響下橋梁的抗沖擊性能，引入沖擊系數(shù)，探討了各種因素對橋梁抗沖擊性能的影響，并將研究結(jié)果與規(guī)范值進行對比。研究結(jié)果可為多種類型橋梁的設(shè)計及施工要求、規(guī)范提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沖擊系數(shù);橋梁;車-橋耦合作用;沖擊系數(shù);工程設(shè)計

0 引言

車-橋耦合作用下橋梁發(fā)生的沖擊效應(yīng)是橋梁工程界研究的重要方向之一。受橋面平整度等多因素的影響，這種沖擊效應(yīng)能夠增大橋梁的動力響應(yīng)特征，從而對橋梁的安全性能帶來重大威脅[1-3]。

大量研究表明，橋面平整度、車速、橋梁類型及橋梁基頻等因素是影響車-橋耦合作用下橋梁沖擊效應(yīng)的重要因素。高慶飛等[4]基于推導(dǎo)與數(shù)值模擬，指出不同響應(yīng)沖擊系數(shù)不相同，且彎矩沖擊系數(shù)往往小于撓度沖擊系數(shù)，并提出了移動車輛荷載作用下橋梁動力性能設(shè)計與評價時沖擊系數(shù)取值方法的建議。陳水生等[5]基于匝道公路連續(xù)曲線箱梁橋模型，在考慮橋梁阻尼比和橋面平整度因素影響條件下，發(fā)現(xiàn)沖擊系數(shù)在單車工況下最大，且隨著縱向加載車輛數(shù)量的增多而顯著減小，這為橋梁設(shè)計提供了重要指導(dǎo)作用。朱志輝等[6]基于車-橋耦合振動理論及地基微波雷達現(xiàn)場試驗，分析了在車-橋耦合作用下，鐵路拱橋的吊桿應(yīng)力沖擊系數(shù)變化關(guān)系，并得出吊桿應(yīng)力沖擊系數(shù)隨車速的增加而增大的重要結(jié)論，為高鐵車速設(shè)計提供了重要依據(jù)。殷新鋒等[7]基于三維車輛模型和車-橋耦合分析程序，采用ANSYS軟件建立大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁有限元模型，結(jié)合實測橋面數(shù)據(jù)展開了車輛作用下橋梁的動力響應(yīng)和沖擊系數(shù)的分析研究。

基于現(xiàn)有研究成果[8-11]，本次研究將進一步考慮到車速、橋梁基頻等因素對于橋梁沖擊效應(yīng)的影響，并通過引入沖擊系數(shù)定性分析車-橋耦合作用下不同橋梁類型沖擊效應(yīng)，為不同類型橋梁的設(shè)計、施工提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 橋梁模型建立

我國橋梁工程中常見橋梁類型有T型梁橋、箱型梁橋及板梁橋，因此本次研究將分析上述三種橋梁并建立對應(yīng)橋梁模型。橋梁基本參數(shù)如表1所述。

1.2 工況設(shè)置與沖擊系數(shù)

為研究橋梁基頻、橋面不平整度及車速對于車-橋耦合條件下橋梁的影響，本次研究對象為板梁橋、T梁橋及箱梁橋三種橋梁，并設(shè)計了8種不同橋梁基頻（1 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz、8 Hz、12 Hz、18Hz）、5個不同橋面平整度（差、較差、一般、較好、好）及8個不同車速（15 km/h、30 km/h、45 km/h、60 km/h、75 km/h、90 km/h、105 km/h、120 km/h） 對橋梁沖擊性能數(shù)值進行模擬研究。通過引入沖擊系數(shù)（IM：Impact Factor）對橋梁在不同條件下的抗沖擊性能進行定量分析，沖擊系數(shù)IM的計算方法見式（1）：

2 結(jié)果分析與討論

2.1 基頻影響

不同類型橋梁的沖擊系數(shù)隨基頻變化關(guān)系如圖1所示，選取平整度較好的橋面研究結(jié)果作為典型案例。由圖1可知，對于不同橋梁其沖擊系數(shù)隨橋梁基頻變化趨勢具有一定的差異。對于T型梁橋，其沖擊系數(shù)隨橋梁基頻呈現(xiàn)出先增大后減小的基本趨勢;對于箱型梁橋，其沖擊系數(shù)隨橋梁基頻呈現(xiàn)出先增大后線性降低的基本趨勢;對于板梁橋，其沖擊系數(shù)先降低，后增大，再降低。此外，由圖1可知，當橋梁基頻處于3 Hz和12 Hz左右時其沖擊系數(shù)為極大值。分析認為，當橋梁基頻位于3 Hz及12 Hz附近時，其頻率較為接近車輛的第4階俯仰振動頻率（3.05 Hz）及第15階車軸彈跳振動頻率（11.75 Hz），因此車輛與橋梁之間出現(xiàn)了共振效應(yīng)，導(dǎo)致在3 Hz及12 Hz附近時，各種橋梁的沖擊系數(shù)均達到極大值。

2.2 橋面不平整度影響

本次試驗共設(shè)計了5組不同平整度的橋面，分別為橋面平整度差、較差、一般、較好及好5個層次，深入展開了橋面不平整度對于橋梁沖擊系數(shù)的影響研究。受限于文章篇幅，僅選取橋面平整度差、一般及好作為典型案例，得出不同平整度橋梁沖擊系數(shù)隨橋梁基頻變化關(guān)系如下頁圖2所示。由圖可知，橋面不平整度對橋梁沖擊系數(shù)的影響很大，在橋面平整度差的條件下，T型梁橋沖擊系數(shù)在0.34～0.47之間，箱型梁橋的沖擊系數(shù)在0.25～0.41之間，板梁橋的沖擊系數(shù)在0.30～0.42之間;在橋面平整度一般條件下，T型梁橋沖擊系數(shù)在0.08～0.11之間，箱型梁橋的沖擊系數(shù)在0.05～0.11之間，板梁橋的沖擊系數(shù)在0.05～0.08之間;在橋面平整度好條件下，T型梁橋沖擊系數(shù)在0～0.03之間，箱型梁橋的沖擊系數(shù)在0.01～0.06之間，板梁橋的沖擊系數(shù)在0.04～0.06之間。由此可見，橋面平整度越高，橋梁的沖擊系數(shù)越低。在橋面平整度差的條件下，沖擊系數(shù)遠高于規(guī)范值，不能夠滿足橋梁設(shè)計值要求，而在橋面平整度一般及好的條件下，三種類型橋梁的沖擊系數(shù)遠低于規(guī)范設(shè)計值，能夠滿足要求。

2.3 車速影響

大量研究表明，車速是影響車-橋耦合作用下沖擊效應(yīng)的重要因素，且隨著車速遞增沖擊系數(shù)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。下頁圖3為橋梁沖擊系數(shù)（IM）隨車速（v）增加變化關(guān)系圖。由圖可知，對于三種不同類型橋梁，隨著車速的不斷增加，其沖擊系數(shù)不斷遞增，且均呈現(xiàn)出線性增加趨勢，這與現(xiàn)有研究結(jié)果一致。進一步觀察到，對于三種不同類型橋梁，在相同的車速下，板梁橋的沖擊系數(shù)明顯低于T型梁橋與箱型梁橋的。T型梁橋沖擊系數(shù)高于箱型梁橋，但兩者之間較為接近。

3 結(jié)語

基于模型建立與車-橋耦合數(shù)值模擬分析，本文展開了橋面平整度、車速、橋梁類型及橋梁基頻四個重要因素對于橋梁沖擊效應(yīng)的影響，并通過引入沖擊系數(shù)進行了定量分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）不同橋梁其沖擊系數(shù)隨橋梁基頻變化趨勢具有一定的差異：T型梁橋沖擊系數(shù)呈先增大后減小的趨勢，箱型梁橋沖擊系數(shù)隨橋梁基頻呈現(xiàn)出先平穩(wěn)后線性降低的趨勢，板梁橋沖擊系數(shù)先降低，后增大，再降低。

（2）橋面不平整度對橋梁沖擊系數(shù)的影響很大，橋面平整度越高，橋梁的沖擊系數(shù)越低。

（3）對于三種不同類型橋梁，隨著車速的不斷增加，其沖擊系數(shù)不斷遞增，且均呈現(xiàn)出線性增加趨勢;在相同的車速下，板梁橋的沖擊系數(shù)明顯低于T型梁橋與箱型梁橋，T型梁橋沖擊系數(shù)高于箱型梁橋，但兩者之間較為接近。

上述研究指出了橋面平整度、車速、橋梁類型及橋梁基頻對于橋梁沖擊效應(yīng)的影響，為橋梁設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)作用，但對于不同車載重量、橋梁結(jié)構(gòu)強度等因素未進行考慮，因此需要進一步展開更加深入的研究。

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收稿日期：2020-06-10