特重車各輪相干橋面激勵對斜拉橋隨機振動的影響

陳水生　趙輝　李錦華　朱朝陽

摘要： 為了研究特重車各輪相干橋面激勵對斜拉橋振動響應的影響，根據特重車左右輪的相干函數關系和前后輪的時間滯后關系，推導并建立了特重車各輪相干橋面不平順激勵的功率譜矩陣。基于車橋耦合振動理論和虛擬激勵法分析特重車各輪相干橋面激勵對大跨度斜拉橋車致振動響應的影響，研究結果表明：特重車各輪相干橋面激勵增大了斜拉橋振動響應的離散程度，橋梁振動響應隨著各輪橋面激勵相干強度的提高而增大。斜拉橋在特重車各輪相干橋面激勵下的振動響應受不同相干函數模型的影響較小。特重車各輪相干非平穩橋面激勵的斜拉橋振動響應離散程度大于各輪相干平穩橋面激勵，橋梁振動響應標準差最大值隨著車輛加速度的提高而增大。斜拉橋的車致振動響應對多輪多點相干橋面激勵很敏感，其振動響應的離散程度隨著特重車軸數的增加而增大。

關鍵詞： 車橋耦合;?橋面不平順;?車輛各輪相干;?虛擬激勵法;?特重車

中圖分類號： U441.3;?U448.27 ???文獻標志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0318-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.007

引??言

隨著跨區域貨運的不斷增加和汽車工業的飛速發展，公路運輸因自身的優點成為現代物流行業的主力軍，不同區域間的貨物運輸業務劇增，導致城市道路和高速公路上的運行車輛越來越多且車輛規格越來越復雜。與此同時，中國橋梁建設突飛猛進，目前全國橋梁總數達100多萬座，其中公路橋梁數量83.25萬座，已成為世界第一橋梁大國，各種類型的大中小跨徑橋梁遍布各大交通要道。在滿足經濟發展需求的同時，逐年增加的交通量給在役公路橋梁帶來巨大的壓力和挑戰，特別是大型載貨汽車超重超限而導致的橋梁垮塌事故也時有發生，橋梁結構在移動車輛荷載作用下的使用壽命和運營安全備受社會關注。國內外學者對橋梁車致振動響應的研究從未間斷，由起初的單自由度車輛荷載到多自由度多軸車輛荷載，從確定性多車過橋到目前的隨機車流過橋，從研究中小跨徑簡支梁橋的振動響應到研究大跨度懸索橋的振動響應，做了很多工作，也創造了很多有價值的成果。這些研究表明，橋梁的車致振動響應取決于三個主要因素：橋梁、車輛和橋面不平順。雖然學者們對不同結構形式的橋梁進行了大量的車致振動研究，但對車輛類型和橋面不平順的研究依然存在不足：（1）在已有的車輛各輪相干橋面不平順激勵的橋梁振動研究中，車輛為二軸1/2車或三軸后八輪整車，所分析的橋梁為中小跨徑橋梁，并非大規格的多軸拖掛車和跨徑較大的大跨度橋梁。針對特重車在大跨徑橋梁上行駛而引起的橋梁隨機振動響應研究較少，特別是多軸特重車各車輪受到橋面多點不平順隨機激勵的橋梁振動研究更少。事實上，中國重型貨物的公路運輸逐年增加，特重車出現的概率越來越大，且向大型化、拖掛化、集裝箱化方向發展，公路橋梁在特重車荷載作用下的隨機振動響應有待進一步探究。（2）在空間上處于車輪與橋梁間的橋面不平順是橋梁產生隨機振動的主要激勵源之一，已有橋面不平順隨機激勵的數值模擬，只是在時域內由不平順功率譜隨機生成多條時間歷程樣本作為系統激勵輸入，且沒有考慮車輛各輪橋面不平順激勵的相干性，這其實只是橋面不平順激勵的一次實現，不能體現橋面不平順的隨機性特征，也難以體現橋面不平順隨機激勵的橋梁車致振動響應的隨機性。已有研究表明，雖然車輛各輪具有相同的功率譜密度，但左右輪跡間存在互譜，即具有相干性，再現兩輪跡多點激勵模型時應該考慮其空間相干性。為了體現橋梁振動響應的隨機性，可以采用蒙特卡羅法對多條橋面不平順樣本激勵下的橋梁振動響應進行統計分析，但必須取大量的不平順樣本進行多次橋梁振動響應計算，才能確保統計結果的準確性，耗費大量的計算時間。

因此，鑒于已有研究的不足，本文以六軸重載汽車為主要分析對象，在頻域內考慮特重車各輪橋面隨機激勵的左右輪相干關系和前后輪時間滯后關系，推導特重車多輪多點橋面不平順激勵的功率譜矩陣，采用虛擬激勵法將復雜的橋面不平順隨機激勵轉化為一系列虛擬的確定性激勵，進而求解車橋耦合系統隨機振動響應，分析多軸特重車各輪相干橋面激勵對斜拉橋振動響應的影響。