基于新理念下的預應力混凝土橋梁設計方法研究

趙勝利　王鑫

【摘 要】主要結合參考文獻資料，介紹了橋梁設計中，對行車舒適性影響的主要因素，針對現有的預應力混凝土橋梁的設計方法，提出了基于行車舒適性新理念下的的橋梁設計概念，在橋梁的設計中，加入舒適性指標的因素，形成行車舒適性理念下的預應力混凝土橋梁設計新方法。

【關鍵詞】行車舒適性；預應力混凝土橋梁；設計

1 行車舒適性在橋梁設計中的影響因素分析

車汽車輛在橋梁上行駛與在道路上行駛相比，橋梁引起車輛振動的原因尚涉及橋梁結構振動，橋梁上拱和橋面鋪裝平整度。橋梁橋面鋪裝平整度對行車舒適性的影響與道路路面平整度類似，所以需要討論總結前兩者的作用。

1.1 橋梁結構的振動

在車輛動荷載作用下，橋梁結構會產生強迫振動。這種振動除會增大按靜力計算的內力和可能引起結構局部疲勞損傷外，會形成影響橋上行車舒適與安全的振動變形和加速度。車輛動荷載相對于橋梁來說，屬于擾動力，此擾動力的頻率與橋梁的固有頻率相等時，則此“汽車-橋梁”耦合系統發生共振，這時，橋梁振動的振幅將隨時間逐步增長至一個相當大的數值，橋梁對橋上行車舒適性的影響也最大。分析“汽車-橋梁”耦合振動系統，要分析其共振條件。由于汽車車輛荷載是移動的，而且其本身也是一個帶有質量的振動系統，使“汽車-橋梁”耦合系統的動力特性隨荷載位置的移動而不斷變化，其結果是共振條件只能在短時間內滿足，并且車輛荷載在橋上通過的時間也是有限的。這是“汽車-橋梁”耦合振動的特點。

1.2 橋梁的上拱

橋梁過度上拱，導致橋面呈波浪形，車輛高速通過時，橋面的高低起伏給車輛的車輪施加位移動擾動，這種激勵導致車輪振動，進而引起車身異常振動，嚴重降低了行車舒適性，使汽車司乘人員產生不安全感。

公路橋梁，尤其梁式橋汽車荷載占的比例小，結構剛度大，車輛（小型車）與橋梁的動力耦合作用不明顯。但對于中小跨度梁式橋，由于其它因素，如多跨預應力混凝土梁的長期上拱形成的有規律的波形擾動對行車舒適性的影響被忽視。

對于多跨等跨的中小跨徑橋梁而言，梁體上拱形成了周期性的波形線形，對高速行車造成了有規律的波形擾動，當車輛以一定的速度V（速度較快）通過該多跨橋梁時，擾動周期T=L/V，擾動頻率f=1/T=V/L，當擾動頻率接近或達到車輛懸掛系的固有頻率時，則橋梁徐變上拱對車輛振動響應的放大作用最大，嚴重影響行車舒適性。

2 基于新理念下的預應力混凝土橋梁設計探討

2.1 行車舒適性理念下的設計

據了解，目前我國公路橋梁的設計諸多原則中，并不包括使用舒適（即行車舒適）這一概念。目前的設計原則中，包含了適用耐久的這一原則，雖然包括了“橋梁結構在通過設計荷載時不出現過大的變形和過寬的裂縫”的基本做法內容，但是使用中的橋梁出現的“過大的變形”的程度并未得到控制和處理，世紀鐘，車輛荷載作用下的過大撓度對行車的舒適性造成了很大的影響和干擾，而這些內容，對于引起行車不舒適的過大上拱問題，設計原則中并未進行過多的說明。

橋梁作為一種特殊的產品，由于其巨額的建設成本，以及建成后所帶來的巨大的經濟效益，更是需要橋梁設計者的設計理念與時俱進，突出以人為本的設計理念，把使用者（即司乘人員）的需求及時不斷地體現在設計中。正因如此，論文結合文獻資料，基于行車舒適性的設計理念下，將使用舒適作為橋梁設計的一個原則，在設計中不僅保證安全、耐久、經濟、美觀，還需保證使用階段司乘人員的行車舒適性。

2.2 行車舒適性理念下的預應力混凝土橋梁設計

相關參考資料研究，對于一定設計行車速度下，一定跨數組合的梁式橋（即多跨中小跨徑預應力混凝土橋梁），梁體過度上拱是引起行車不舒適的主要原因。通過建立雙自由度的1/4車輛簡化模型，模擬過橋車輛，可建立行車舒適程度與上拱度值之間的直接的數學關系式，從而可以用上拱度值這一設計指標，直觀的反應行車舒適性。

行車舒適性屬于使用性能，在梁式橋的設計中屬正常使用極限狀態的設計范疇。目前我國公路橋規規定，在橋涵結構設計的持久狀況中，正常使用極限狀態設計涉及構件的抗裂、裂縫寬度和撓度三個方面的驗算，而對直觀反映行車舒適性的橋梁上拱度值，則未提及。而事實上，由于司乘人員對橋梁行車舒適性方面的需求越來越強烈，行車舒適性應該成為橋梁設計所必須考慮的因素指標之一。

高速公路中小跨徑預應力混凝土橋梁的設計必須考慮行車舒適性的需求，體現行車舒適性的設計理念，行車舒適性指標通過橋梁梁體上拱度值反映出來。基于行車舒適性理念下的中小跨徑預應力混凝土橋梁的基本設計方法為：

在進行持久狀況的正常使用極限狀態設計時，除涉及原有的構件抗裂、裂縫寬度和撓度三方面的驗算外，還需要加上構件上拱度的驗算，上拱度值不應超過最大允許上拱度值[d]（即不影響行車舒適性的最大上拱度值）。《公路工程技術標準》規定，高速公路設計行車速度有80、100、120km/h三種標準，因此具體設計時，應針對橋梁的設計行車速度選用與之相對應的最大允許上拱度值[d]進行計算處理。

橋梁上拱度是由偏心預加力Np引起的上撓度和恒載所產生的下撓度兩部分組成。與橋梁撓度計算相比，上拱度計算不計活荷載作用。有研究資料表明，由于車輛高速行駛（時速80km/h及以上）時，車間距較大（交通法規規定：高速公路行車的安全距離（車間距），正常情況下，行駛時速100km/h時，為100m以上；時速70km/h時，為70m），對于中小跨徑橋梁而言，同時通過某一跨橋梁的車輛數量很少，即同時作用在某一跨橋梁上的活荷載很小，因而此時活荷載對橋梁產生的下撓度也很小，基本可以忽略。故計算橋梁上拱度時，只考慮預加力和恒載的作用，而忽略活荷載的作用，此種做法是可行的。

在預加力作用下，預應力混凝土受彎構件的上撓度可根據給定的構件剛度用結構力學的方法計算。預應力混凝土受彎構件隨時間的增長，由于混凝土收縮徐變將導致構件負曲率增大以及混凝土彈性模量降低等原因，使得上拱度增加，所以計算構件上拱度時必須考慮長期影響。因此，預加力引起的上撓度需乘以長期增長系數取值為2，恒載引起的下撓度需乘以長期增長系數，既可以計算出滿足基于行車舒適性的中小跨徑預應力混凝土橋梁設計方法要求的滿足使用階段長期徐變上拱的橋梁上拱度值。

3 結語

快速交通的當今環境背景下，舒適性作為橋梁使用性能的一個方面顯得尤為重要，隨著行車速度的不斷加快，基于舒適性的橋梁設計方法的研究愈發顯的迫切。由過度徐變上拱帶來的諸多橋梁問題，需要設計人員在設計時對滿足司乘人員對行車舒適性需求做到充分的重視和考慮，未來預應力混凝土橋梁的設計中，應當把行車舒適性作為必須考慮的因素之一，從控制橋梁過度徐變上拱的角度尋求滿足行車舒適性的設計方法。

【參考文獻】

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[責任編輯：劉展]