汽車荷載作用下軍用梁鋪蓋體系沖擊系數(shù)分析*

賈文彪，王曉華，胡長明，杜逸璞，路 乾

(1.中鐵一局建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著城市交通的發(fā)展，地鐵工程得到快速發(fā)展。為保證地鐵車站修建過程中重要交通干道具有一定的通行能力，常采用半蓋挖法和蓋挖法。該施工方法的關(guān)鍵步驟為建設(shè)滿足通車條件的臨時(shí)鋪蓋體系[1]，其在汽車荷載下的穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)施工過程的安全。

沖擊系數(shù)是反映臨時(shí)鋪蓋體系動(dòng)力性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，鐵路及橋梁動(dòng)力性能分析主要根據(jù)自身的自振頻率和沖擊系數(shù)確定其動(dòng)力性能[2-4]，相對(duì)而言，對(duì)臨時(shí)鋪蓋體系在汽車荷載作用下的動(dòng)力性能研究較少，且目前世界各國在城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)車輛荷載產(chǎn)生的沖擊系數(shù)計(jì)算公式的規(guī)定并不一致，所以針對(duì)臨時(shí)鋪蓋體系在汽車荷載作用下沖擊系數(shù)的研究具有重要意義。

1 工程概況

西安地鐵6號(hào)線鐘樓站位于西安市中心鐘樓環(huán)島東側(cè)170m處，車站沿東大街東西向敷設(shè)。地鐵6號(hào)線鐘樓站與地鐵2號(hào)線鐘樓站分別位于東大街和北大街，鐘樓站北側(cè)主體結(jié)構(gòu)上方采用軍便梁路面體系，采用半蓋挖順作法施工。在明挖法的基礎(chǔ)上增加臨時(shí)路面體系，使該路段在道路狹窄、交通繁忙的條件下仍具有較高的通行能力。車站標(biāo)準(zhǔn)段剖面如圖1所示，車站支護(hù)體系由1 000mm厚地下連續(xù)墻+4道水平支撐+雙排格構(gòu)柱臨時(shí)支撐組成，上部臨時(shí)鋪蓋體系采用六四式軍用梁，并鋪設(shè)臨時(shí)路面。

圖1 車站標(biāo)準(zhǔn)段剖面

軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系由加強(qiáng)型六四式軍用梁、聯(lián)結(jié)系、1 000mm×1 000mm預(yù)制混凝土蓋板及鋪設(shè)的瀝青混凝土路面構(gòu)成，以20m軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系為例，剖面如圖2所示。

圖2 臨時(shí)路面剖面

20m臨時(shí)鋪蓋體系中每榀軍用梁由4個(gè)長4 000mm加強(qiáng)三角和2個(gè)長2 500mm端構(gòu)件拼裝而成，軍用梁以每榀中心間隔1m的方式搭設(shè)于冠梁上方，梁支座為主體圍護(hù)樁的冠梁連系梁。下弦桿縱向聯(lián)結(jié)系槽鋼靠近鋼銷節(jié)點(diǎn)，用U形螺栓將聯(lián)結(jié)系、槽鋼與各片軍用梁下弦桿的各肢聯(lián)結(jié)。

軍用梁上部鋪設(shè)200mm厚預(yù)制混凝土蓋板，預(yù)制蓋板上攤鋪100mm厚C35混凝土結(jié)構(gòu)層并加鋪玻纖格柵；隨后進(jìn)行瀝青路面攤鋪，撒布0.7kg/m2透層油，在其上鋪設(shè)7cm厚中粒式瀝青混凝土，撒布0.3kg/m2粘層油，攤鋪5cm厚細(xì)粒式SBS改性瀝青，從而構(gòu)成整個(gè)臨時(shí)鋪蓋體系。

2 沖擊系數(shù)計(jì)算公式

沖擊系數(shù)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)綜合動(dòng)力系數(shù)，由運(yùn)動(dòng)的汽車荷載對(duì)臨時(shí)鋪蓋體系的沖擊作用及車輛與臨時(shí)鋪蓋體系相互作用的強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生。主要影響因素為：①臨時(shí)鋪蓋體系自身參數(shù)，包括軍用梁的幾何尺寸、跨徑、橋面平整度、跨間距、結(jié)構(gòu)形式、自振頻率、阻尼比等；②汽車荷載特性，如汽車的運(yùn)行速度、軸重、軸距等[5]。

2.1 六四式軍用梁沖擊系數(shù)計(jì)算公式

2.2 基于橋梁基頻的沖擊系數(shù)計(jì)算公式

根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)橋梁沖擊系數(shù)的部分規(guī)定[7]，當(dāng)f(結(jié)構(gòu)基頻)<1.5Hz時(shí)，μ=0.05；當(dāng)1.5Hz≤f≤14Hz時(shí)，μ=0.176 7lnf-0.015 7；當(dāng)f>14Hz時(shí)，μ=0.45。

3 臨時(shí)鋪蓋體系自振頻率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

3.1 測(cè)試目的

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中橋梁沖擊系數(shù)的計(jì)算公式，結(jié)構(gòu)本身的固有頻率直接反映橋梁自身與沖擊系數(shù)間的關(guān)系，橋梁沖擊系數(shù)主要根據(jù)橋梁基頻進(jìn)行計(jì)算，因此需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試臨時(shí)鋪蓋體系的自振頻率。本次主要測(cè)量臨時(shí)鋪蓋體系上方正常行車所引起的環(huán)境激振下，六四式軍用梁三軸方向的加速度響應(yīng)，從而得到行車動(dòng)載荷作用下臨時(shí)鋪蓋體系的自振特性和車載沖擊系數(shù)。

女孩們奇怪地安靜下來。趙玉墨的口氣那么平常，可以是一個(gè)被煩透的年輕母親斥責(zé)孩子，也可以是學(xué)校監(jiān)管起居雜務(wù)的大姐制止羅里巴嗦的小女生。

3.2 測(cè)試內(nèi)容

采用941B型拾振器、INV3062S/V型采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器用于測(cè)量臨時(shí)路面在汽車通過時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)效果，根據(jù)臨時(shí)鋪蓋體系的布置方向和行車方向，在跨中、1/4跨徑處、邊跨位置分別布置測(cè)點(diǎn)，如圖3所示，各測(cè)點(diǎn)傳感器布置如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)傳感器布置

圖3 測(cè)量點(diǎn)布置

3.3 自振特性分析

1)結(jié)構(gòu)生成 采用Coinv DASP V11進(jìn)行模態(tài)分析，生成包括幾何坐標(biāo)、連線信息、面信息和約束信息的幾何結(jié)構(gòu)。約束信息指各幾何結(jié)點(diǎn)3個(gè)方向的測(cè)量情況，對(duì)于單輸入多輸出測(cè)量方向?yàn)轫憫?yīng)傳感器的方向，多輸入單輸出測(cè)量方向?yàn)榧?lì)力的方向，在所測(cè)方向填入時(shí)域波形對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)號(hào)(時(shí)域模態(tài))或頻響函數(shù)的測(cè)點(diǎn)號(hào)(頻域模態(tài))，完成約束信息的輸入。在測(cè)點(diǎn)號(hào)前加負(fù)號(hào)表示測(cè)量方向與坐標(biāo)軸正向相反，無測(cè)量方向不輸入[8]。結(jié)構(gòu)生成如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)生成

2)半譜計(jì)算 若采樣頻率較高，且只需分析前面較少階數(shù)的模態(tài)頻率時(shí)，可通過FRF菜單，先進(jìn)行單點(diǎn)半譜計(jì)算。根據(jù)相干函數(shù)的大小判斷數(shù)據(jù)的好壞，若所有頻率點(diǎn)的相干函數(shù)都接近于0，參考點(diǎn)或響應(yīng)點(diǎn)中至少有1個(gè)通道的數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)。半譜計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 半譜計(jì)算

3)隨機(jī)子空間算法(SSI)模態(tài)擬合 在MIMO菜單選擇模態(tài)擬合，調(diào)入半譜計(jì)算結(jié)果，選起始階數(shù)為10階，截止階數(shù)為50階，設(shè)置誤差容限，矩陣行數(shù)、列數(shù)均選擇1 600，按開始計(jì)算命令計(jì)算穩(wěn)定圖，此處的階數(shù)非模態(tài)固有頻率階次。

假定頻率方程的階數(shù)從低到高變化，求解方程的根，每個(gè)根對(duì)應(yīng)一階的模態(tài)頻率和阻尼，再求出相應(yīng)振型。根據(jù)相鄰兩個(gè)階數(shù)模態(tài)頻率、阻尼和振型的穩(wěn)定情況，畫出穩(wěn)定圖，如圖6所示，其中阻尼超過最大設(shè)定阻尼的根不予顯示。

圖6 穩(wěn)定圖

所有根中，一部分對(duì)應(yīng)真正的模態(tài)，成為物理極點(diǎn)；一部分沒有相對(duì)應(yīng)的物理模態(tài)，成為數(shù)學(xué)極點(diǎn)。模態(tài)收取的任務(wù)是通過穩(wěn)定圖找到物理極點(diǎn)，排除數(shù)學(xué)極點(diǎn)。

表2 前5階模態(tài)自振頻率和阻尼比

由表2可知，該軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系結(jié)構(gòu)的固有頻率中一階自振振頻較低，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較弱，因此有必要進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析來驗(yàn)證其穩(wěn)定性，同時(shí)各階頻率間連續(xù)變化的跳躍性較小，變化均勻且分布較密集，因此臨時(shí)鋪蓋體系的動(dòng)力特性較復(fù)雜，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需考慮高階振型的影響。

3.4 沖擊系數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，將頻域分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入沖擊系數(shù)分析模塊，圖形區(qū)將顯示上、下兩個(gè)曲線(見圖7)，上圖為調(diào)入數(shù)據(jù)的全程波形圖，下圖為沖擊系數(shù)分析圖，右側(cè)文字顯示當(dāng)前調(diào)入數(shù)據(jù)的信息和分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖7 沖擊系數(shù)計(jì)算

采用三點(diǎn)法擬合計(jì)算沖擊系數(shù)，首先需選擇1個(gè)波峰的3點(diǎn)(1個(gè)為波峰，2個(gè)為波谷)，然后選擇左側(cè)操作區(qū)的三點(diǎn)計(jì)算法計(jì)算得到中間一點(diǎn)的沖擊系數(shù)。各測(cè)點(diǎn)沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，除垂直方向跨中位置6號(hào)測(cè)點(diǎn)的沖擊系數(shù)大于采用橋梁基頻求得的規(guī)范沖擊系數(shù)外，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的三軸方向沖擊系數(shù)更接近于橋梁基頻的沖擊系數(shù)，遠(yuǎn)小于六四式軍用梁使用手冊(cè)的沖擊系數(shù)限值，說明軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系的沖擊系數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)。

表3 各測(cè)點(diǎn)沖擊系數(shù)計(jì)算值

繪制不同位置沖擊系數(shù)對(duì)比曲線如圖8所示。由圖8可知，同一榀軍用梁的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)接近兩端位置低、1/4跨和跨中位置大的變化趨勢(shì)；垂直方向的沖擊系數(shù)大于x，y軸方向的沖擊系數(shù)，說明汽車通過臨時(shí)鋪蓋體系時(shí)主要對(duì)其造成豎直方向的沖擊力；部分測(cè)點(diǎn)位置沖擊系數(shù)大于基于橋梁基頻計(jì)算得到的沖擊系數(shù)，故為保證軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)選取軍用梁使用手冊(cè)求出的沖擊系數(shù)和公路橋涵規(guī)范根據(jù)橋梁基頻求出的沖擊系數(shù)較大值作為穩(wěn)定性分析的沖擊系數(shù)指標(biāo)。

圖8 沖擊系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)語

1)20m軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系結(jié)構(gòu)的基頻一階自振振頻較低，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較弱，因此有必要進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析來驗(yàn)證其穩(wěn)定性，同時(shí)各階頻率間連續(xù)變化的跳躍性較小，變化均勻且分布較密集，因此臨時(shí)鋪蓋體系的動(dòng)力特性較復(fù)雜，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需考慮高階振型的影響。

2)采用Coinv DASP進(jìn)行沖擊系數(shù)計(jì)算得到臨時(shí)鋪蓋體系最大沖擊系數(shù)位于跨中部位，因此在后期維修和使用中需重點(diǎn)關(guān)注該部位。

3)為保證軍用梁臨時(shí)鋪蓋體系的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)選取軍用梁使用手冊(cè)求出的沖擊系數(shù)和公路橋涵規(guī)范根據(jù)橋梁基頻求出的沖擊系數(shù)較大值作為穩(wěn)定性分析的沖擊系數(shù)指標(biāo)。