隨機(jī)車流作用下大跨度懸索橋振動(dòng)分析

殷新鋒+豐錦銘+劉揚(yáng)+蔡春聲

摘 要：引入元胞自動(dòng)機(jī)隨機(jī)車流模擬方法，采用已建立的能考慮車輛空間振動(dòng)的18個(gè)自由度整車模型模擬車流中重型車輛，利用單自由度車輛模型模擬車流中其他車型，模擬了能考慮鄰近車輛對(duì)車流的影響橋上隨機(jī)車流模型.通過(guò)車輪與橋面間的變形與接觸力協(xié)調(diào)關(guān)系，建立了橋梁與車流耦合作用下運(yùn)動(dòng)方程.分析表明：車流中相鄰車輛是否考慮對(duì)橋梁振動(dòng)位移的影響較大，且隨機(jī)車流作用下引起的懸索橋主梁及索塔的空間振動(dòng)不能被忽視.

關(guān)鍵詞：橋梁；振動(dòng)；車流；橋面不平整度

中圖分類號(hào)：TU311.3；TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在研究橋梁車輛耦合振動(dòng)時(shí)，以往大多數(shù)研究人員主要考慮橋梁在移動(dòng)車輛荷載作用下的豎向振動(dòng).近年來(lái)，研究人員開始分析移動(dòng)車輛荷載作用下橋梁橫向振動(dòng)[1-3].然而，以往研究都忽略汽車引起的橫向及縱向力對(duì)橋梁的作用，進(jìn)而在多數(shù)研究中忽略了橋梁在隨機(jī)車流作用下的橫向和縱向振動(dòng).對(duì)于像懸索橋這種大跨度橋梁來(lái)說(shuō)，忽略橋梁在隨機(jī)車流下的三維振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際情形不符[4-5].

在現(xiàn)有隨機(jī)車流作用下橋梁振動(dòng)的研究中，常將隨機(jī)車流簡(jiǎn)化為既定的多車輛分布模式 [6-7].對(duì)于大跨度橋梁而言，這樣的簡(jiǎn)化并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際車輛的動(dòng)態(tài)性能[8].基于元胞自動(dòng)機(jī)的隨機(jī)車流模擬，由于其可分析車流行駛狀態(tài)中各車輛的隨機(jī)特征，而逐漸引起研究者的重視并被用于分析道路或橋梁上車流分布特征，但較少用于車流作用下橋梁振動(dòng)的研究領(lǐng)域[9-10].

基于已建立的能考慮車輛三向振動(dòng)的18個(gè)自由度整車模型，引進(jìn)了改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型并考慮鄰近車輛對(duì)車流的影響.通過(guò)車輪與橋面間的變形與接觸力協(xié)調(diào)關(guān)系，建立了橋和車流耦合作用運(yùn)動(dòng)方程.數(shù)值分析表明：本文提出的車橋耦合模型能合理研究大跨度懸索橋在隨機(jī)車流下的空間振動(dòng).

1 車流橋梁耦合系統(tǒng)的研究方法

1.1 車輛模型運(yùn)動(dòng)方程

2.3 車流中是否考慮鄰近車流影響的比較

下列分析中，橋面粗糙度等級(jí)為好，交通流占有率分別為暢通交通流量ρ=0.07，稀疏交通流量ρ=0.15和密集交通流量ρ=0.3 三種.橋梁的三維動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析結(jié)果如圖6～圖10所示.

圖6為兩種典型車流作用下加勁梁跨中和四分之一跨處的豎向位移時(shí)程曲線.由圖可知，考慮鄰近車流影響時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大豎向位移值小于不考慮鄰近車輛影響時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大豎向位移.如本例中，跨中最大豎向位移在不考慮鄰近車流影響和考慮鄰近車流影響下所對(duì)應(yīng)梁的最大值分別為12.11 cm及15.02 cm.該現(xiàn)象也許是由于考慮鄰近車輛的影響，車流中的車速與車間距發(fā)生變化所致.

3 結(jié) 論

基于已建立的能考慮車輛三向振動(dòng)的18個(gè)自由度整車模型，引進(jìn)改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型并考慮鄰近車輛對(duì)車流的影響，通過(guò)車輪與橋面間的變形與接觸力協(xié)調(diào)關(guān)系，分析了車流作用下懸索橋的振動(dòng)響應(yīng).數(shù)值分析表明：

1）本文提出的橋梁車流耦合模型能合理研究大跨度懸索橋在隨機(jī)車流下的空間振動(dòng).

2） 隨機(jī)車流作用下，未考慮鄰近車輛影響時(shí)所對(duì)應(yīng)的橋梁位移大于考慮鄰近車輛影響時(shí)對(duì)應(yīng)的橋梁位移值，如跨中最大豎向位移在不考慮鄰近車流影響為12.11 cm，而考慮鄰近車流影響下所對(duì)應(yīng)的最大值為15.02 cm.因此，車流中相鄰車輛考慮與否對(duì)橋梁振動(dòng)位移的影響不能被忽視.

3） 隨機(jī)車流作用下引起的懸索橋主梁及索塔的空間振動(dòng)不能被忽視.如主梁的縱向位移可達(dá)5.33 cm，該位移可能會(huì)加速橋梁末端伸縮縫的損壞；塔頂縱向位移可達(dá)12.03 cm，該位移值會(huì)增加懸索橋的纜索及索塔結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，從而加速結(jié)構(gòu)損壞，在設(shè)計(jì)中應(yīng)被足夠重視.

4） 懸索橋振動(dòng)響應(yīng)隨在橋面條件等級(jí)變差而增加.如橋面狀況等級(jí)由好變差時(shí)，跨中最大豎向位移由20.61 cm增加到24.35 cm.因此，橋面條件對(duì)于橋梁振動(dòng)具有很大的影響，橋面的定期保養(yǎng)也是減少車輛及橋梁振動(dòng)的有效方法.

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