簡支變連續橋梁的動力性能研究

李紀東

(黑龍江省收費公路管理局養護處)

0 前言

為保證現有公路橋梁具有良好的動力工作性能，需要了解其在移動車輛荷載作用下的動力響應。通過車橋耦合振動分析，模擬橋梁的實際運營荷載和振動情況，可以得到在移動車輛荷載作用下橋梁的動力響應，在此基礎上，評價現有公路橋梁的動力工作性能，指出橋梁在設計中存在的問題，提出動力優化的設計建議。

1 動力工作性能評價標準

公路橋梁應具有良好的動力工作性能，以保證車輛以規定的速度通過橋梁時，橋梁不出現過大的振動，防止結構內產生較大的動應力，從而保證橋梁的使用安全性。

我國現行橋梁規范通過限制橋梁的活載撓度來避免行車時產生振動顛簸和沖擊，以保證行車舒適性和減少振動損害。但研究表明，活載撓度限制并不能有效地控制橋梁結構的振動。橋梁振動的評價指標需要從橋梁結構的動內力、振動舒適度兩方面來考慮，而結構動內力和振動舒適度主要受到橋梁的振幅、振動速度、振動加速度等的影響。在本研究中，對于混凝土簡支轉連續梁橋，橋梁的動力工作性能通過橋梁振幅和橋梁加速度兩個指標來評價。

(1)振動加速度限值探討

參照加拿大安大略省橋梁規范OHBDC，加速度評價標準采用加速度容許值與豎向自振頻率f1之間存在如下關系：

所求得的加速度限值如表1所示。

(2)橋梁豎向振幅限值探討

根據我國現行公路橋規(JTG D60-2004)，橋梁在汽車荷載作用下的靜撓度yst應滿足yst≤L/K，對于梁式橋K=600，懸臂梁K=300。而振幅D=yd-yst=μyst(μ為沖擊系數)。

因此，根據規范規定，振幅應滿足：

根據實測結果，橋梁的一階自振頻率f1與橋梁跨徑L存在如下關系：

可以得到常見公路中小跨徑橋梁的振幅限值［D］如表1所示。

表1 公路中小跨徑混凝土梁式橋的振幅限值

2 簡支轉連續橋梁車橋耦合振動響應分析

(1)橋梁分析樣本的選取

①分析樣本范圍

本次分析采用的橋梁樣本是跨徑范圍為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m簡支轉連續T梁橋和簡支轉連續箱梁橋，并按照標準圖的不同橋梁寬度進行變化，采用空間梁格模型對橋梁結構進行模擬。

②車輛樣本的選取

由于車輛系統的彈性參數和阻尼參數以及部分慣性參數沒有完整的資料，因此車輛的各種參數只能參照相關文獻給出。為盡可能有代表性地研究車輛的動力特性與橋梁沖擊系數之間的關系，在進行車橋耦合振動分析時，采用整體式空間雙軸車輛模型，各車輛模型參數按表2取值。根據載重汽車的實際運行情況，確定車輛的行駛速度為25.0 m/s(相當于90.0 km/h)。

表2 車輛模型參數

(2)車橋耦合振動響應分析及評價

利用編制的車橋耦合振動程序對上述所選樣本進行了車橋耦合振動響應計算，對計算結果進行歸納總結，并與動力工作性能評價標準進行對比分析。

①簡支轉連續T梁橋

圖1為預制簡支轉連續T梁的動力響應與相應的動力響應限值的關系曲線。由圖中可以看出：

(1)跨徑20～40 m簡支轉連續T梁的振幅均小于其振幅限值，且振幅只有其限值的1/3～1/2，在車輛通過橋梁時，橋梁只發生幅度很小的輕微振動。

(2)跨徑20～40 m簡支轉連續T梁的加速度均小于其加速度限值，且加速度只有其限值的1/2左右，說明目前使用的簡支轉連續T梁具有良好的動力工作性能和較好的舒適度。

圖1 簡支轉連續T梁動力響應

②簡支轉連續箱梁橋

圖2為預制簡支轉連續箱梁的動力響應與相應的動力響應限值的關系曲線。由圖中可以看出：

(1)跨徑20～40 m簡支轉連續箱梁的振幅均小于其振幅限值，且振幅只有其限值的1/5～1/4，在車輛通過橋梁時，橋梁只發生幅度很小的輕微振動。

(2)跨徑20～40 m簡支轉連續箱梁的加速度均小于其加速度限值，且加速度只有其限值的1/3左右，說明目前使用的簡支轉連續箱梁具有良好的動力工作性能和很好的舒適度。

圖2 簡支轉連續箱梁動力響應

3 結論

利用編制的車橋耦合振動程序，對目前公路上常用的簡支轉連續橋梁，計算在不同車輛模型、不同車輛速度作用下的動力響應，總結了這些橋梁的動力響應變化規律。采用振幅和加速度作為動力響應評價標準，對這些橋梁的動力工作性能進行了評價，研究表明。

(1)簡支轉連續T梁橋的振幅只有其限值的1/3～1/2，加速度只有其限值的1/2左右，說明目前使用的簡支轉連續T梁具有良好的動力工作性能和較好的舒適度。

(3)簡支轉連續箱梁的振幅只有其限值的1/5～1/4，加速度只有其限值的1/3左右，說明目前使用的簡支轉連續箱梁具有良好的動力工作性能和很好的舒適度。

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