基于車輛荷載作用下吊桿剛度對拱橋舒適性研究

杜祝遙

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714158

摘要：本文以某鋼管混凝土拱橋為工程背景，研究了移動車輛荷載作用下拱橋的舒適性影響因素以及各因素與舒適性的規律性關系。利用有限元軟件Midas/Civil建立模型，得出吊桿剛度對拱橋上行人舒適度有一定影響的結論，并得出相應變化的規律性，為拱橋的設計和舒適性研究提供一定的理論依據。

關鍵詞：舒適性；車輛荷載；吊桿

近年來，隨著經濟的發展，國家的基礎建設已經逐漸完成。橋梁數量的增多使車輛荷載作用下的舒適性研究也受到廣泛關注。車輛移動引起的橋梁結構振動會對橋上行人的心理、生理產生影響，對橋上行人的舒適性造成一定影響。本文通過有限元模擬，將車輛運行時拱橋上因吊桿剛度不同產生的振動特性進行一定的模型建立及量化，分析影響因素規律性變化，得出結論對拱橋舒適性的設計有一定參考價值。

1 計算模型與方法

本文模擬出車輛荷載在橋梁上的運行后，計算出車輛運行時拱橋的動力響應。所使用的動力方程為式（1）：

Mt+Ct+Kxt=Ft（1）

其中M為質量矩陣，C為剛度矩陣，K為阻尼矩陣。

首先要明確本文是以大跨鋼管混凝土拱橋結構為研究對象的，而具有移動特性的車輛荷載在對該大跨度的鋼管混凝土拱橋作用時，對于阻尼、剛度、質量等特性來說影響是非常小的，所以在此次分析中忽略了阻尼、剛度、質量等特性因素的影響。即認為在移動特性的車輛荷載作用時時矩陣KMC是不變量。由此得到動力方程中只有Ft是隨時間變化的簡單函數，從而簡化了計算過程中多變量的復雜解題過程，可以得到較精確的計算結果。現在節點荷載陣列Ft的合理確定決定著所得出的橋梁動力響應結果的精確度。在有限元分析中每個節點荷載都是隨時間變化而變化的，根據在每個節點上移動車輛荷載為瞬時荷載，在有限元軟件Midas中將其模擬成三角形荷載。

本文在綜合比較后采用這種其所提出的振動感覺指標進行橋上行人的舒適性評定。其計算如下：

S=Vmax/2 ，VGL=20lg（S/S0）（2）

式（2）中S為振動刺激。Vmax為速度最大值，單位為cm/s。VGL為振動大小水平。S0為常數系數，S0=1.4×10-2cm/s。

根據所求的不同VGL，用公式（3）求得振動大小

lgVG=0.05（VGL-40），VGL≤40dBlgVG=0.03（VGL-40），VGL>40dB （3）

振動大小與行車舒適度的對應關系如下表所示。

2 吊桿剛度對橋梁舒適度的影響

吊桿在鋼管混凝土拱橋系統的作用是將縱梁和橫梁系統懸掛在拱肋下，橋面上的車輛荷載通過吊桿和橋面系將作用力傳遞到拱肋上，吊桿的作用在拱橋中是不可忽視的。目前現有的鋼管混凝土拱橋吊桿材料基本都采用加預應力的1860鋼絞線。本次研究時主要通過改變吊桿的直徑來改變吊桿的剛度分析對舒適性的影響。拱橋原設計拱肋直徑為50mm的截面，為研究吊桿剛度變化對移動車輛荷載作用下的鋼管混凝土拱橋上行人舒適性的影響，通過改變吊桿直徑而保持其余條件不變來實現，截面直徑共分為三種工況，吊桿直徑分別為80、50、30mm。根據這三種工況模擬計算出的結果進行對比分析，以60km/h（設計時速）的車輛荷載在拱橋上運行進行時程分析運算，提取出需要結果。車輛運行速度為設計時速時在各工況下提取出的節點豎向速度最大值。

各節點的振動大小VG值是隨著吊桿直徑的增加而減小的，說明吊桿剛度增大時拱橋上行人舒適性是不斷提高的。當吊桿直徑減小為30mm時，VG最值超過1.12，舒適度等級降低到3級。當吊桿直徑增大到80mm時，VG最值降為0.82，舒適度等級為2級。因此得出結論，增大吊桿截面尺寸會提高橋上行人的舒適性。

3 結論

舒適度影響已經成為拱橋在設計時除穩定性和強度以外的新的設計考慮要點。本文通過有限元分析，模擬出了在相同速度同重量的移動車輛荷載下不同的吊桿剛度對鋼管混凝土拱橋產生的量化的舒適度的影響得到以下結論：吊桿的剛度對橋上行人的舒適性也是有一定影響。吊桿剛度增大時拱橋上行人舒適性是不斷提高的，即增加吊桿剛度能夠提高拱橋上行人舒適性。

參考文獻：

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