移動車輛荷載作用下梁式橋動力性能設(shè)計(jì)與評價(jià)方法.pdf

1、不同于其他土木結(jié)構(gòu)，公路橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間主要荷載形式是移動車輛荷載，且車輛振動與橋梁振動將會相互影響，即車輛橋梁耦合振動。回顧大量橋梁發(fā)生的重大事故中，40％的橋梁破壞是由于移動車輛振動所致，主要表現(xiàn)為動力損傷等破壞形式。因此，公路橋梁除應(yīng)滿足靜力強(qiáng)度要求外，還應(yīng)具有良好的動力工作性能，以保證車輛通過橋梁時橋梁的安全性及行人與車輛的舒適性。不管在橋梁動力設(shè)計(jì)還是動載試驗(yàn)中，都將涉及到相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能的研究。而目前對于橋梁結(jié)構(gòu)振

2、動響應(yīng)的評定成果主要集中于鐵路橋梁方面。實(shí)際上，對于公路橋梁結(jié)構(gòu)來說，移動車輛荷載是其主要形式，也是引起結(jié)構(gòu)動力損傷的主要因素。因此，本文針對移動車輛荷載作用下公路梁式橋動力性能的設(shè)計(jì)與評價(jià)方法不足的問題，展開了相關(guān)研究。
　　基于模態(tài)綜合法，結(jié)合大型通用商業(yè)有限元軟件ANSYS與MATLAB各自的優(yōu)勢，編制了用于車輛橋梁耦合振動分析的程序 VBCVA與行人及行車舒適性評價(jià)的程序VCE，并通過與ANSYS以及既有文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果對比

3、驗(yàn)證了自編程序的正確性與有效性。
　　從橋梁結(jié)構(gòu)動力特性、動力響應(yīng)以及行人與行車舒適性的角度，提出了以橋梁自振頻率、沖擊系數(shù)、橋梁振動加速度以及車輛振動加速度作為移動車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)動力性能指標(biāo)。同時，結(jié)合理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬，給出了中小跨徑等截面連續(xù)梁橋的自振頻率估算公式，補(bǔ)充了現(xiàn)行規(guī)范對橋梁自振頻率估算的規(guī)定。另外，對不同部位以及不同響應(yīng)對應(yīng)沖擊系數(shù)之間的差別進(jìn)行了討論，指出撓度沖擊系數(shù)最大、彎矩沖擊系數(shù)次之、剪力沖擊系數(shù)

4、最??；因此，作為設(shè)計(jì)指標(biāo)可選擇較為保守的撓度沖擊系數(shù)，但作為評價(jià)指標(biāo)應(yīng)將撓度沖擊系數(shù)與彎矩沖擊系數(shù)分別考慮。
　　將車輛假設(shè)為常量力、簡諧力、彈簧質(zhì)量塊等簡化模型，識別出了影響橋梁動力響應(yīng)的主要參數(shù)及其影響規(guī)律，最終提出了基于簡化模型的橋梁動力性能設(shè)計(jì)方法。不計(jì)橋梁阻尼的車輛橋梁振動簡化模型理論推導(dǎo)表明，影響橋梁沖擊系數(shù)的主要參數(shù)有三個，分別是：車輛橋梁質(zhì)量比、擾動頻率與橋梁頻率之比、以及車輛頻率與橋梁頻率之比。在不同速度情況下，

5、沖擊系數(shù)均隨著阻尼比的增大而減小，且其斜率基本相等。
　　針對橋梁結(jié)構(gòu)安全性，分別以橋梁沖擊系數(shù)與振動加速度作為動力響應(yīng)指標(biāo)，結(jié)合傳統(tǒng)方法（單因子法）與正交試驗(yàn)法，研究了影響橋梁動力響應(yīng)的主要因素及其各自的影響規(guī)律；正交試驗(yàn)法的采用，使得不同因素之間的相互影響得以充分考慮。簡支梁橋的正交試驗(yàn)表明，不管是橋梁沖擊系數(shù)還是振動加速度，橋面不平整度與其他因素的交互作用最為明顯，尤其是橋面不平整度與橋梁跨徑的交互作用。連續(xù)梁橋的正交試驗(yàn)表

6、明，不管是橋梁沖擊系數(shù)還是振動加速度，橋面不平整度、橋梁主跨跨徑、橋梁邊中跨比與橋梁跨數(shù)之間的交互作用較為明顯。另外，指出運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)基頻單一參數(shù)表示的沖擊系數(shù)表達(dá)式是存在一定的缺陷的，尤其是在橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率位于2Hz~4Hz范圍。
　　分別選擇典型梁式橋結(jié)構(gòu)與車輛類型，研究了車輛經(jīng)過不同橋梁結(jié)構(gòu)時對應(yīng)的行車舒適性，結(jié)果表明：車體振動加速度隨著車輛行駛速度、橋面不平整度以及車輛載重的變化規(guī)律，與橋梁類型以及跨徑布置基本沒有關(guān)系，

7、但與車輛類型有關(guān)；同一車道其他車輛或相鄰車道過往車輛對行車舒適性的影響，取決于其他車輛引起該車輛所在位置橋梁振動與此處橋面不平整度的相對大小關(guān)系，即當(dāng)引起的橋梁振動遠(yuǎn)小于此處橋面不平整度，則不同車輛之間行車舒適性的相互影響作用可忽略不計(jì)。
　　通過車輛懸掛系統(tǒng)阻尼與剛度、車輛輪胎阻尼與剛度對車輛振動的影響分析，給出了基于車橋振動的車輛設(shè)計(jì)建議：車輛懸掛系統(tǒng)阻尼對小轎車的影響較小，而大客車的車體振動加速度隨著懸掛系統(tǒng)阻尼的增大而減小

8、；車輛懸掛系統(tǒng)剛度增大，則車體振動加速度減小；車輛輪胎阻尼與剛度均對大客車的影響較小，而小轎車的車體振動加速度隨著車輛輪胎剛度增大而呈增大趨勢，但隨著車輛輪胎剛度的增大而呈減小趨勢。
　　對既有橋梁動力性能評價(jià)規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)討論，并研究了單輛車與多輛車經(jīng)過常見梁式橋的動力響應(yīng)：當(dāng)橫向多車輛布置時，由于不同車輛引起橋梁振動響應(yīng)相位的差別，應(yīng)注意其相比于單車輛時的沖擊系數(shù)折減系數(shù)，具體數(shù)值大小與橋梁類型、橋梁跨徑以及橋面給不平整度等均