汽車荷載作用下軍用梁鋪蓋體系沖擊系數(shù)分析*

賈文彪，王曉華，胡長明，杜逸璞，路 乾

(1.中鐵一局建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，地鐵工程得到快速發(fā)展。為保證地鐵車站修建過程中重要交通干道具有一定的通行能力，常采用半蓋挖法和蓋挖法。該施工方法的關(guān)鍵步驟為建設(shè)滿足通車條件的臨時鋪蓋體系[1]，其在汽車荷載下的穩(wěn)定性關(guān)系到整個施工過程的安全。

沖擊系數(shù)是反映臨時鋪蓋體系動力性能的一項重要參數(shù)，鐵路及橋梁動力性能分析主要根據(jù)自身的自振頻率和沖擊系數(shù)確定其動力性能[2-4]，相對而言，對臨時鋪蓋體系在汽車荷載作用下的動力性能研究較少，且目前世界各國在城市橋梁設(shè)計規(guī)范中對車輛荷載產(chǎn)生的沖擊系數(shù)計算公式的規(guī)定并不一致，所以針對臨時鋪蓋體系在汽車荷載作用下沖擊系數(shù)的研究具有重要意義。

1 工程概況

西安地鐵6號線鐘樓站位于西安市中心鐘樓環(huán)島東側(cè)170m處，車站沿東大街東西向敷設(shè)。地鐵6號線鐘樓站與地鐵2號線鐘樓站分別位于東大街和北大街，鐘樓站北側(cè)主體結(jié)構(gòu)上方采用軍便梁路面體系，采用半蓋挖順作法施工。在明挖法的基礎(chǔ)上增加臨時路面體系，使該路段在道路狹窄、交通繁忙的條件下仍具有較高的通行能力。車站標準段剖面如圖1所示，車站支護體系由1 000mm厚地下連續(xù)墻+4道水平支撐+雙排格構(gòu)柱臨時支撐組成，上部臨時鋪蓋體系采用六四式軍用梁，并鋪設(shè)臨時路面。

圖1 車站標準段剖面

軍用梁臨時鋪蓋體系由加強型六四式軍用梁、聯(lián)結(jié)系、1 000mm×1 000mm預(yù)制混凝土蓋板及鋪設(shè)的瀝青混凝土路面構(gòu)成，以20m軍用梁臨時鋪蓋體系為例，剖面如圖2所示。

圖2 臨時路面剖面

20m臨時鋪蓋體系中每榀軍用梁由4個長4 000mm加強三角和2個長2 500mm端構(gòu)件拼裝而成，軍用梁以每榀中心間隔1m的方式搭設(shè)于冠梁上方，梁支座為主體圍護樁的冠梁連系梁。下弦桿縱向聯(lián)結(jié)系槽鋼靠近鋼銷節(jié)點，用U形螺栓將聯(lián)結(jié)系、槽鋼與各片軍用梁下弦桿的各肢聯(lián)結(jié)。

軍用梁上部鋪設(shè)200mm厚預(yù)制混凝土蓋板，預(yù)制蓋板上攤鋪100mm厚C35混凝土結(jié)構(gòu)層并加鋪玻纖格柵；隨后進行瀝青路面攤鋪，撒布0.7kg/m2透層油，在其上鋪設(shè)7cm厚中粒式瀝青混凝土，撒布0.3kg/m2粘層油，攤鋪5cm厚細粒式SBS改性瀝青，從而構(gòu)成整個臨時鋪蓋體系。

2 沖擊系數(shù)計算公式

沖擊系數(shù)實質(zhì)上是一個綜合動力系數(shù)，由運動的汽車荷載對臨時鋪蓋體系的沖擊作用及車輛與臨時鋪蓋體系相互作用的強迫振動產(chǎn)生。主要影響因素為：①臨時鋪蓋體系自身參數(shù)，包括軍用梁的幾何尺寸、跨徑、橋面平整度、跨間距、結(jié)構(gòu)形式、自振頻率、阻尼比等；②汽車荷載特性，如汽車的運行速度、軸重、軸距等[5]。

2.1 六四式軍用梁沖擊系數(shù)計算公式

2.2 基于橋梁基頻的沖擊系數(shù)計算公式

根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對橋梁沖擊系數(shù)的部分規(guī)定[7]，當f(結(jié)構(gòu)基頻)<1.5Hz時，μ=0.05；當1.5Hz≤f≤14Hz時，μ=0.176 7lnf-0.015 7；當f>14Hz時，μ=0.45。

3 臨時鋪蓋體系自振頻率的現(xiàn)場測試及分析

3.1 測試目的

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中橋梁沖擊系數(shù)的計算公式，結(jié)構(gòu)本身的固有頻率直接反映橋梁自身與沖擊系數(shù)間的關(guān)系，橋梁沖擊系數(shù)主要根據(jù)橋梁基頻進行計算，因此需現(xiàn)場測試臨時鋪蓋體系的自振頻率。本次主要測量臨時鋪蓋體系上方正常行車所引起的環(huán)境激振下，六四式軍用梁三軸方向的加速度響應(yīng)，從而得到行車動載荷作用下臨時鋪蓋體系的自振特性和車載沖擊系數(shù)。

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3.2 測試內(nèi)容

采用941B型拾振器、INV3062S/V型采集儀進行數(shù)據(jù)采集。傳感器用于測量臨時路面在汽車通過時的動力響應(yīng)效果，根據(jù)臨時鋪蓋體系的布置方向和行車方向，在跨中、1/4跨徑處、邊跨位置分別布置測點，如圖3所示，各測點傳感器布置如表1所示。

表1 各測點傳感器布置

圖3 測量點布置

3.3 自振特性分析

1)結(jié)構(gòu)生成 采用Coinv DASP V11進行模態(tài)分析，生成包括幾何坐標、連線信息、面信息和約束信息的幾何結(jié)構(gòu)。約束信息指各幾何結(jié)點3個方向的測量情況，對于單輸入多輸出測量方向為響應(yīng)傳感器的方向，多輸入單輸出測量方向為激勵力的方向，在所測方向填入時域波形對應(yīng)的測點號(時域模態(tài))或頻響函數(shù)的測點號(頻域模態(tài))，完成約束信息的輸入。在測點號前加負號表示測量方向與坐標軸正向相反，無測量方向不輸入[8]。結(jié)構(gòu)生成如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)生成

2)半譜計算 若采樣頻率較高，且只需分析前面較少階數(shù)的模態(tài)頻率時，可通過FRF菜單，先進行單點半譜計算。根據(jù)相干函數(shù)的大小判斷數(shù)據(jù)的好壞，若所有頻率點的相干函數(shù)都接近于0，參考點或響應(yīng)點中至少有1個通道的數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)。半譜計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 半譜計算

3)隨機子空間算法(SSI)模態(tài)擬合 在MIMO菜單選擇模態(tài)擬合，調(diào)入半譜計算結(jié)果，選起始階數(shù)為10階，截止階數(shù)為50階，設(shè)置誤差容限，矩陣行數(shù)、列數(shù)均選擇1 600，按開始計算命令計算穩(wěn)定圖，此處的階數(shù)非模態(tài)固有頻率階次。

假定頻率方程的階數(shù)從低到高變化，求解方程的根，每個根對應(yīng)一階的模態(tài)頻率和阻尼，再求出相應(yīng)振型。根據(jù)相鄰兩個階數(shù)模態(tài)頻率、阻尼和振型的穩(wěn)定情況，畫出穩(wěn)定圖，如圖6所示，其中阻尼超過最大設(shè)定阻尼的根不予顯示。

圖6 穩(wěn)定圖

所有根中，一部分對應(yīng)真正的模態(tài)，成為物理極點；一部分沒有相對應(yīng)的物理模態(tài)，成為數(shù)學(xué)極點。模態(tài)收取的任務(wù)是通過穩(wěn)定圖找到物理極點，排除數(shù)學(xué)極點。

表2 前5階模態(tài)自振頻率和阻尼比

由表2可知，該軍用梁臨時鋪蓋體系結(jié)構(gòu)的固有頻率中一階自振振頻較低，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較弱，因此有必要進行動力響應(yīng)分析來驗證其穩(wěn)定性，同時各階頻率間連續(xù)變化的跳躍性較小，變化均勻且分布較密集，因此臨時鋪蓋體系的動力特性較復(fù)雜，進行結(jié)構(gòu)計算時需考慮高階振型的影響。

3.4 沖擊系數(shù)測試結(jié)果分析

對采集到的數(shù)據(jù)進行頻域分析，將頻域分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入沖擊系數(shù)分析模塊，圖形區(qū)將顯示上、下兩個曲線(見圖7)，上圖為調(diào)入數(shù)據(jù)的全程波形圖，下圖為沖擊系數(shù)分析圖，右側(cè)文字顯示當前調(diào)入數(shù)據(jù)的信息和分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖7 沖擊系數(shù)計算

采用三點法擬合計算沖擊系數(shù)，首先需選擇1個波峰的3點(1個為波峰，2個為波谷)，然后選擇左側(cè)操作區(qū)的三點計算法計算得到中間一點的沖擊系數(shù)。各測點沖擊系數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，除垂直方向跨中位置6號測點的沖擊系數(shù)大于采用橋梁基頻求得的規(guī)范沖擊系數(shù)外，現(xiàn)場測得的三軸方向沖擊系數(shù)更接近于橋梁基頻的沖擊系數(shù)，遠小于六四式軍用梁使用手冊的沖擊系數(shù)限值，說明軍用梁臨時鋪蓋體系的沖擊系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)。

表3 各測點沖擊系數(shù)計算值

繪制不同位置沖擊系數(shù)對比曲線如圖8所示。由圖8可知，同一榀軍用梁的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)接近兩端位置低、1/4跨和跨中位置大的變化趨勢；垂直方向的沖擊系數(shù)大于x，y軸方向的沖擊系數(shù)，說明汽車通過臨時鋪蓋體系時主要對其造成豎直方向的沖擊力；部分測點位置沖擊系數(shù)大于基于橋梁基頻計算得到的沖擊系數(shù)，故為保證軍用梁臨時鋪蓋體系的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)選取軍用梁使用手冊求出的沖擊系數(shù)和公路橋涵規(guī)范根據(jù)橋梁基頻求出的沖擊系數(shù)較大值作為穩(wěn)定性分析的沖擊系數(shù)指標。

圖8 沖擊系數(shù)對比

4 結(jié)語

1)20m軍用梁臨時鋪蓋體系結(jié)構(gòu)的基頻一階自振振頻較低，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較弱，因此有必要進行動力響應(yīng)分析來驗證其穩(wěn)定性，同時各階頻率間連續(xù)變化的跳躍性較小，變化均勻且分布較密集，因此臨時鋪蓋體系的動力特性較復(fù)雜，進行結(jié)構(gòu)計算時需考慮高階振型的影響。

2)采用Coinv DASP進行沖擊系數(shù)計算得到臨時鋪蓋體系最大沖擊系數(shù)位于跨中部位，因此在后期維修和使用中需重點關(guān)注該部位。

3)為保證軍用梁臨時鋪蓋體系的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)選取軍用梁使用手冊求出的沖擊系數(shù)和公路橋涵規(guī)范根據(jù)橋梁基頻求出的沖擊系數(shù)較大值作為穩(wěn)定性分析的沖擊系數(shù)指標。