橫撐數量對拱橋舒適性的影響

杜祝遙

摘 要：本文利用有限元軟件Midas/Civil建立模型，模擬車輛荷載在拱橋上運行，運算出拱橋上人行道節點在移動荷載下的振動響應。結果表明橫撐數量對拱橋上行人舒適度有一定影響，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：振動感覺指標；舒適性；橫撐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.197

隨著橋梁數量的增多，行車及行人舒適性研究也受到廣泛關注。根據舒適性的相關研究，車輛荷載通過橋梁以一定速度運行時，與橋梁結構的相互作用從而引起橋梁的震動，影響橋梁正常運營時車上人員與橋上行人的舒適性。因此，對拱橋在移動車輛荷載作用下的動力響應非常有必要。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，分析拱橋上車輛運行時橫撐數量不同產生的振動特性，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 有限元模型建立與分析

本文建立如下模型：橋面全寬為21.5m，主跨為300m，矢高55m的下承式鋼管混凝土拱橋。桁架結構由圓形鋼腹桿和鋼管混凝土主拱組成。采用有限元軟件Midas Civil建立了該橋梁的有限元空間模型。鋼管混凝土主拱肋用梁單元來進行模擬，將鋼管混凝土截面中混凝土換算成鋼材，鋼管直徑0.9m，厚度0.01m，材料使用Q235鋼材，內部填充C50混凝土。拱肋腹桿為圓形鋼管直徑為0.35m，厚度為0.01m。吊桿為實腹圓形截面直徑為0.05m。邊界條件：固定主拱肋的兩。主梁兩端與主跨鉸接，主梁與橫系梁之間剛性連接。

利用子空間迭代法就該建立的有限元模型進行三維振動特性分析，得到下表結論。

2 橫撐數量對橋梁舒適度的影響

采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）中規定的車輛荷載進行建模，從規范中選取三軸車輛模型，車輛總重550 KN（前30KN，中240KN，后280KN），車輛的運行速度為60 km/h。模擬計算時，每2.5m的間隔作為一個荷載位置結點，根據上文求的t1=0.15s，t2=0.3s。根據自振周期將計算時間步長設成0.01秒，通過該橋梁的總時間為18秒。在設計時速下跨中截面最大豎向速度在車輛荷載通過跨中位置時，即在10.54s時發生最大豎向速度為0.0134m/s；車輛各節點豎向速度最大值計入表，其中的負值為向下方向的速度。

拱橋原設計橫撐數量為5個“一”字型橫撐對稱分布，為研究橫撐數量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，本節通過改變橫撐數量而保持其余條件不變的不同工況對舒適性進行研究。共分為四種工況，橫撐數量分別為1、3、5、7，其中橫撐對稱分布，距離跨中橫撐水平距離分別為±40m，±70m，±100m。根據這四種工況模擬車輛在拱橋上運行時計算的結果對比分析，以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。

各節點豎向速度最大值是隨著橫撐數量的增加而變小的，即說明橫撐數量變多使各節點的豎向速度最大值變小，根據變化趨勢來看，從工況一變化到工況四速度減小趨勢變小，然后根據日本學者小掘為雄提出的振動感覺指標的理論計算公式，計算VG值。取各工況下最大VG值進行評定橋上行人舒適性，舒適性等級評定結果。

得出結論，可以明顯看出各節點的振動大小VG值是隨著橫撐數量的增加而減小的，即拱橋上行人舒適性隨橫撐數量增多而不斷提高。VG值由工況一的1.45到工況四的0.78并不是同一斜率下降的，也就是說當橫撐數量增加到一定程度后對VG值的影響變小。工況三5個橫撐（原設計）是滿足舒適性要求的，當橫撐數量增加到工況四7個橫撐時振動感覺指標減小10%，在一定程度上提高了拱橋上行人舒適性。而且振動感覺指標VG值從工況一變化到工況四變化率是降低的，即當橫撐數目增加到一定程度后對舒適性的影響會減小，即有一個最合適橫撐數目。

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橫撐數量對鋼管混凝土拱橋產生的量化的舒適度的影響，進而對橋梁不同橫撐數量進行舒適度的量化與評價。得到以下結論：橫撐數量對橋上行人的舒適性是有影響的。橫撐數量變多時，拱橋上行人舒適性是隨之提高的，即通過增加橫撐數量可以提高拱橋上行人的舒適性。但當橫撐數目增加到一定程度后對舒適性的影響會減小，即有一個最合適橫撐數目。

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