曲線梁橋沖擊系數研究初探

黃己偉

(四川建筑職業技術學院，四川德陽618000)

曲線橋是現代橋梁工程中的一種重要橋型，隨著城市高速公路的新建和城市建設的進一步發展，在城市道路網中立交橋的數量將日益增多。為了增添城市景觀，使橋梁按路線的平面布置和提高交通樞紐的使用功能，平面曲線橋在很多地方被廣泛采用。

車輛以一定的速度行駛在橋梁上時，會對橋梁產生振動，這時對橋梁產生的動力效應往往會大于其靜止作用在橋上所產生的靜力效應。在公路橋梁設計規范中，采用沖擊系數來反映車輛對橋梁的沖擊效益，從而保證橋梁的安全使用。張為民[1]探討了大跨度混凝土公路橋梁沖擊系數取值問題；許士強等[2]對國內外規范中公路橋梁沖擊系數進行了對比研究；王海城、施尚偉[3]對橋梁沖擊系數影響因素分析及偏差成因進行了分析。值得指出的是，這些研究大多集中在直梁橋，對曲線梁橋沖擊系數研究較少。

1 曲線梁橋特點

1.1 受力特點

曲線梁橋除具有直線梁橋一般的受力特點外，還具有以下受力特點[4]：

(1)彎扭耦合作用。由于曲率的影響，曲線橋梁同時承受彎矩和扭矩作用，并且相互耦合。此為曲線梁橋的主要受力特點。

(2)在平面彎橋中，無論荷載偏心與否，均產生彎矩和扭矩，甚至在支承處也承受較大的扭矩。

(3)內側梁和外側梁受力不均。曲線梁橋由于存在較大的扭矩，曲線橋的外梁荷載加重，內梁荷載減輕，內外梁應力產生差別。在某些情況下，內側梁支點甚至可能產生負反力。特別是當靜荷載較小、曲率半徑較小時，這種現象比較明顯。

1.2 支承布置

根據不同的布置方式將曲線梁橋的支承類型分成以下四種形式：(1)在每個橋墩上設置抗扭支承；(2)僅在主梁兩端設置抗扭支承，中間支承均設置點鉸支承；(3)當中間支墩均為獨柱式的柔性橋墩時，采用墩梁固結支承；(4)中間支承采用抗扭支承和點鉸支承交替設置。曲線梁橋支承布置形式見圖1所示。

圖1 曲線梁橋支承布置形式

2 各國規范對沖擊系數的規定

沖擊系數是汽車過橋時對橋梁結構產生的豎向動力響應的放大系數。動荷載作用于橋梁結構產生的動撓度，比相同靜荷載所產生的相應靜撓度要大。將橋梁控制截面的最大動撓度與最大靜撓度之比稱為動力系數，沖擊系數的定義為：

式中：μ為沖擊系數；δ為動力系數；fdmax為最大動撓度；fjmax為最大靜撓度。

現列出各國規范中關于沖擊系數的有關規定。

2.1 中國相關規范

1985規范中對鋼筋混凝土橋梁沖擊系數的規定：

式中：L為跨徑；μ為沖擊系數。以下公式含義與此相同。

2004規范(JTG D60-2004)中對沖擊系數的規定：

式中：f為結構基頻。以下公式含義與此相同。

2.2 美國相關規范

(1)AASHTO標準公路橋梁設計規范—1996，沖擊系數為跨徑的函數：

I=15.24/(L+38.1)

式中：I為沖擊系數；L為跨徑。

(2)AASHTO LRFD 標準公路橋梁設計規范—1998，對設計荷載作了很大的修正，它包括卡車荷載和車道荷載兩部分，車道荷載不考慮沖擊系數。

卡車荷載的沖擊系數為：

曲線工字梁橋：ID=0.25

曲線箱梁橋：

2.3 加拿大相關規范

(1)OHBDC-1979

(2)OHBDC-1982

2.4 印度相關規范

對于車隊荷載：

對于輪式車輛：μ=0.25

2.5 蘇聯相關規范

鋼橋：

鋼筋混凝土梁式橋：

鋼筋混凝土拱橋：

2.6 德國相關規范

德國DIN1072規范鋼橋、混凝土橋：

μ=0.4-0.008L;L≥50 m時，μ=0

2.7 日本相關規范

日本公路橋規范(1972年規范)

鋼橋：

預應力混凝土橋：

鋼筋混凝土橋：

2.8 法國相關規范

法國(Fasicule special 60-17bis)規范鋼橋、混凝土橋：

式中：G為恒載;P為活載。

從以上可以看出，無論是國內還是國外，對于曲線橋梁沖擊系數取值都沒有非常明確的依據和相關經驗公式可供廣大設計者參考。很多研究表明：連續梁橋同一位置處的撓度沖擊系數總是大于彎矩沖擊系數，且隨著跨徑的增大有減小的趨勢[5]；多跨連續梁橋邊跨和中跨的沖擊系數差異較大，橋梁應考慮采用不同的沖擊系數[6]。因此，有必要對曲線橋沖擊系數進行探討。

3 曲線梁橋沖擊系數探討

曲線梁橋無論是在橋型布置、構件形式還是受力特點等方面與直梁橋都有所不同，因而其沖擊系數的計算方法相比直梁橋而言要復雜些。相關研究表明[7]：影響曲線橋沖擊系數的主要因素包括：(1)車輛自身的動力特性，包括軸距﹑軸重等；(2)車輛行駛速度；(3)橋梁結構自身的動力特性，比如橋梁結構形式、支撐條件等；(4)行駛在橋梁上車輛的數量及其在橋梁上的分布位置；(5)橋面平整度、伸縮裝置性能等。

筆者認為，在考慮影響橋梁沖擊系數主要因素、忽略次要因素的條件下，至少可以從以下幾個方面來研究：

(1)車輛行駛速度。對于某一座具體的曲線梁橋，在橋面等級相同的條件下，用不同車速20 km/s、40 km/s、60 km/s在橋面上行駛，計算其沖擊系數值，同時對比按規范計算出來的值。

(2)車—橋耦合作用。在研究車—橋系統的耦合振動時，由于車輛荷載是移動的，并且車輛荷載本身也是一個帶有質量的振動體系，這使得車—橋耦合系統的動力特性隨荷載位置的移動而不斷變化。可采用廣義坐標離散法推導基于自身假設條件下的二維系統動力平衡方程組。接著再確定耦合計算時的相關參數：① 橋梁自振頻率與振型的計算；② 振型阻尼矩陣的確定；③車輪作用處的振型函數值；④求解車—橋運動方程組。

(3)曲線半徑。曲率是曲線橋區別于直線橋的特征之一。在其他條件相同的情況下，探討不同的曲線半徑對沖擊系數的影響。

(4)橋面平整度。不同等級橋面平整度對橋梁特征截面的動力響應有一定的影響。國內外學者普遍使用路面功率譜函數表示路面平整度，其中廣泛使用的是ISOSC2/WG4 標準中的路面平整度功率譜。再利用MATLAB軟件處理隨機數的功能，模擬得到曲線橋梁橋面平整度曲線，然后再用有限元軟件進行數值模擬。

4 結束語

現行規范中對曲線橋梁沖擊系數的確定沒有非常明確的依據和相關經驗公式，在橋梁設計時，對車輛的動力沖擊作用的考慮偏于不安全，特別是在當前車輛超載比較嚴重的現實情況下。因此曲線橋沖擊系數的合理取值仍將是一個需要深入研究的課題。

在今后的研究中除了建立合理的車橋耦合模型進行有限元分析外，還應進行大量的工程試驗，這樣才能為曲線橋梁設計中沖擊系數的選取提供更加可靠的依據。

[1] 張為民. 大跨度混凝土公路橋梁沖擊系數的探討[J]. 低溫建筑技術，2009，(5)：42-43

[2] 許士強，陳水生，桂水榮. 公路橋梁汽車沖擊系數對比研究[J]. 市政工程設計，2006，(12)：73-75

[3] 王海城，施尚偉. 橋梁沖擊系數影響因素分析及偏差成因[J]. 重慶交通大學學報：自然科學版，2007,26(5)：25-28

[4] 蔡鋒.曲線梁橋結構分析研究與程序計算[D].西安：長安大學，2002

[5] X. Q. Zhu,S. S. Law. Dyna mic Load on Continuous multi-lane Bridge Deckfro m moving Vehicles[J]. Journal of Sound and Vibration. 2002, 251(4)：697-716

[6] 盛國剛，彭獻，李傳習．連續梁橋與車輛耦合振動系統沖擊系數的研究[J]．橋梁建設，2003，(6)：5-7

[7] 李忠獻，陳鋒. 曲線箱梁橋的車橋相互作用分析[J]. 工程力學，2007，(11)：93-99