公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車橋耦合振動研究

任俊帥

山西交投忻阜高速公路管理有限公司 山西 忻州 035500

1 公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車橋耦合振動研究的意義

1.1 降低對橋梁的不利影響，確保橋梁安全

車輛經(jīng)過橋梁時會發(fā)生耦合振動，橋梁和行駛的車輛都容易產(chǎn)生安全問題，而且高墩大跨一般建在地勢崎嶇之處，車橋耦合導(dǎo)致的過大振動會引起人們心理上的不適。先對已投入使用的橋梁進(jìn)行耦合振動研究，再在后續(xù)的橋梁構(gòu)建中引入相關(guān)研究成果，確保橋梁結(jié)構(gòu)和橋上行駛車輛的安全，改善乘車人員的心理狀態(tài)，減少貨物損失，更好地發(fā)揮公路橋梁為社會、人類和經(jīng)濟服務(wù)的作用。

1.2 為我國公路橋梁事業(yè)的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)

社會經(jīng)濟的發(fā)展帶來高速公路的快速擴建，近年來我國又大力推行“一帶一路”，加強了對中西部地區(qū)公路和橋梁的建設(shè)，由于地形、建設(shè)經(jīng)費、建設(shè)周期等原因，公路大跨徑連續(xù)體系橋梁成為大多數(shù)設(shè)計者們的首選方案，高墩大跨橋梁的建設(shè)數(shù)量日益增加。公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車橋耦合振動的研究有著重大的實際應(yīng)用意義，其研究成果將會為后續(xù)的公路和橋梁建設(shè)帶來重要的參考和借鑒，更為我們帶來更加安全的行車環(huán)境和行車體驗，帶來更大的經(jīng)濟社會效益[1]。

2 車橋耦合振動的研究方法

研究車橋耦合振動一般采用試驗與理論相結(jié)合的方法。先找一個實例進(jìn)行試驗，通過試驗的結(jié)果來驗證理論是否正確，如果正確，再用理論模型進(jìn)行車橋耦合振動的仿真分析。下面是對車橋耦合振動的分析和研究方法的一些講述和探討。

2.1 橋梁的振動分析模型

橋梁結(jié)構(gòu)的振動模型的影響因素包括橋梁的結(jié)構(gòu)、斷面構(gòu)造和梁的片數(shù)等。現(xiàn)在的主要分析模型是有限元法和模態(tài)坐標(biāo)法。有限元法重視單元類型和結(jié)構(gòu)的離散方式的選取，這兩者一旦確定，模型便初具雛形，根據(jù)這兩者的不同，橋梁的振動分析方法又分為桿系模型和格排梁模型。在實際運用中，有限元法不適合構(gòu)建大型橋梁的模型，它的計算量過大且對計算機配置要求較高；而模態(tài)坐標(biāo)法忽視了模型結(jié)構(gòu)的非線性，要求主梁為等截面或近似等截面，使用時受到實際情況的限制，無法評價橋梁局部振動。后來研究者對兩種分析模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了模態(tài)綜合法。

2.2 車輛分析模型

在車橋耦合振動分析中，比較重要的是對橋梁結(jié)構(gòu)的分析，車輛分析模型在滿足實驗精準(zhǔn)度的前提下可以盡量簡化，降低算法的難度，便于將得出的研究成果進(jìn)行推廣。在車橋耦合振動分析中，車輛一般簡化為車身，輪軸，用來模擬車身與輪軸間的懸架以及輪胎的彈簧和阻尼器。一般只要確定了車軸數(shù)和其他部件的運動自由度，模型搭建基本上就成功了。現(xiàn)在車輛分析模型主要有三種，包括三維車輛模型、平面車輛模型和仿真模型。

2.3 路面不平整度

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，路面的平整度對車橋耦合振動也有著較大的影響。對于PC橋梁，車輛通過不平整橋面時對橋的影響較顯著大；對于斜拉橋，在接近橋塔的主梁受橋面不平整度沖擊大，主塔塔基處彎矩會出現(xiàn)較大數(shù)值，而且對斜拉索的沖擊效果變化很大，最短的斜拉索受其影響最大，隨著長度的而增加，斜拉索受其影響越來越小。

2.4 耦合力的求解

車輛的第i輪軸對橋梁的作用力為：

FiB=KityreΔi+CityreΔ·i+FiGV，其中Δi=Zityre-UiBR(xi)。Kityre、Cityre分別表示車輪的第i輪軸豎向剛度和阻尼系數(shù)；Δi指第i輪軸與橋面間的相對位移；FiGV是第i輪軸分擔(dān)的車體重力分量；Zityre指第i輪軸的豎向位移；UiB是橋梁在第i輪軸處的位移；R(xi)代表橋梁在第i輪軸處的不平整值。由于車橋耦合振動方程是一個非線性方程，所以一般采用逐步積分法，包括線性加速度法、Willson-θ法和Newmark-β法等[2]。

3 如何更好地促進(jìn)公路大跨徑連續(xù)體系橋梁的發(fā)展

3.1 重視橋梁的橋面平整度

車輛運行的振動狀態(tài)受橋面的平整度影響較大，工程設(shè)計者在設(shè)計時要充分考慮到包含橋面平整度參數(shù)的沖擊系數(shù)公式，不同平整度的橋面要及時調(diào)整沖擊系數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)橋面平整度下降時，橋梁養(yǎng)護(hù)維修部門要重視并及時采取措施提高橋面平整度，減少不平橋面對通過的車輛的不利影響。

3.2 車輛在運行時要注意運行速度和車間距

公路大跨徑連續(xù)體系橋梁的振動設(shè)計基頻不能和單車輛、多車輛振動頻率相同，多車輛通過橋梁時，如果有長時間的一致車速與車間距容易產(chǎn)生頻繁的車橋耦合共振問題。為了解決出現(xiàn)的車橋耦合振動問題，公路橋梁管理部門在運營時可在不同的車道、不同的道路間隔之間設(shè)置減速標(biāo)志使各車道的車速及車間距不一致，減小車橋共振概率。還可以通過加裝液體黏滯阻尼器來控制高墩大跨徑連續(xù)體系橋梁車橋耦合共振[3]。

4 結(jié)束語

公路橋梁的車橋耦合振動問題影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全。一方面，高速行駛的車輛會對橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和使用壽命產(chǎn)生較大的沖擊影響；另一方面，橋梁的振動反過來影響了車輛的安全平穩(wěn)行駛狀態(tài)。對公路大跨徑連續(xù)體系橋梁車橋耦合振動的研究能夠使橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加完善和實用化，有關(guān)部門可以和高校或者處在技術(shù)前沿的企業(yè)合作，根據(jù)實際情況建設(shè)維護(hù)公路和橋梁，更好地為社會服務(wù)。