移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下梁式橋動(dòng)力性能設(shè)計(jì)與評(píng)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(yíng)期間主要荷載形式是移動(dòng)車(chē)輛荷載，且車(chē)輛振動(dòng)與橋梁振動(dòng)將會(huì)相互影響，即車(chē)輛橋梁耦合振動(dòng)?；仡櫞罅繕蛄喊l(fā)生的重大事故中，40％的橋梁破壞是由于移動(dòng)車(chē)輛振動(dòng)所致，主要表現(xiàn)為動(dòng)力損傷等破壞形式。因此，公路橋梁除應(yīng)滿(mǎn)足靜力強(qiáng)度要求外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)力工作性能，以保證車(chē)輛通過(guò)橋梁時(shí)橋梁的安全性及行人與車(chē)輛的舒適性。不管在橋梁動(dòng)力設(shè)計(jì)還是動(dòng)載試驗(yàn)中，都將涉及到相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能的研究。而目前對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)振

2、動(dòng)響應(yīng)的評(píng)定成果主要集中于鐵路橋梁方面。實(shí)際上，對(duì)于公路橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，移動(dòng)車(chē)輛荷載是其主要形式，也是引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷的主要因素。因此，本文針對(duì)移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下公路梁式橋動(dòng)力性能的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法不足的問(wèn)題，展開(kāi)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(shì)，編制了用于車(chē)輛橋梁耦合振動(dòng)分析的程序 VBCVA與行人及行車(chē)舒適性評(píng)價(jià)的程序VCE，并通過(guò)與ANSYS以及既有文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果對(duì)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(dòng)力特性、動(dòng)力響應(yīng)以及行人與行車(chē)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(dòng)加速度以及車(chē)輛振動(dòng)加速度作為移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能指標(biāo)。同時(shí)，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(duì)橋梁自振頻率估算的規(guī)定。另外，對(duì)不同部位以及不同響應(yīng)對(duì)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、最小；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(píng)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(chē)輛假設(shè)為常量力、簡(jiǎn)諧力、彈簧質(zhì)量塊等簡(jiǎn)化模型，識(shí)別出了影響橋梁動(dòng)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(jiǎn)化模型的橋梁動(dòng)力性能設(shè)計(jì)方法。不計(jì)橋梁阻尼的車(chē)輛橋梁振動(dòng)簡(jiǎn)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(gè)，分別是：車(chē)輛橋梁質(zhì)量比、擾動(dòng)頻率與橋梁頻率之比、以及車(chē)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性，分別以橋梁沖擊系數(shù)與振動(dòng)加速度作為動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(chē)輛類(lèi)型，研究了車(chē)輛經(jīng)過(guò)不同橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的行車(chē)舒適性，結(jié)果表明：車(chē)體振動(dòng)加速度隨著車(chē)輛行駛速度、橋面不平整度以及車(chē)輛載重的變化規(guī)律，與橋梁類(lèi)型以及跨徑布置基本沒(méi)有關(guān)系，

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

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