高速公路大跨度連續(xù)剛構橋車橋耦合振動分析
摘要：綜述了大跨連續(xù)剛構橋的結構特點及發(fā)展現狀，并介紹了研究梁橋的強迫振動問題的簡化的計算模型。結合目前相關研究，重點探討了車輛類型及荷載、速度以及路面不平度對對橋梁動力響應的影響。
關鍵詞：大跨度連續(xù)剛構橋；動力響應；耦合振動
隨著公路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，車輛與橋梁結構的動力相互作用越來越受到重視。車輛和橋梁間的相互作用的影響因素復雜[1]：
1)車輛的動力特性(車型、阻尼、自振頻率等)；
2)橋梁結構的動力特性(質量與剛度分布、橋跨結構形式、材料阻尼等)；
3)橋頭引道和橋面的平整狀態(tài)、伸縮縫裝置及橋頭沉陷的狀況。
1大跨連續(xù)剛構橋的結構特點及發(fā)展現狀
經濟的騰飛助推了高速公路建設的蓬勃發(fā)展，隨著懸臂節(jié)段施工法(包括懸拼和懸澆)、高強混凝土技術和大噸位后張預應力技術的不斷發(fā)展，大跨徑橋不斷出現。而連續(xù)剛構橋利用主墩的柔性能適應橋梁較大的縱向變形，特別適用于高墩大跨連續(xù)梁橋中，以其獨特的優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展。連續(xù)剛構橋梁墩固結、梁體連續(xù)，既保持了行車平順、連續(xù)梁無伸縮縫的優(yōu)點，又保持了T型剛構橋不需轉換體系和不設支座的優(yōu)點，這方便懸臂施工，且順橋向具有很大的橫向抗扭剛度和抗彎剛度，能滿足特大跨徑橋梁的受力要求。
2梁橋的車輛強迫振動
汽車在過橋時，由于車輛自身軸重及速度效應，會引起橋梁結構的振動。當橋跨結構自振頻率與移動車輛形成的外荷載頻率相等或接近時，會引起車橋系統(tǒng)的共振，對橋梁的工作狀態(tài)和使用壽命產生直接影響。然而，由于車、橋的耦合作用及許多參數的不確定性，使得梁橋的強迫振動問題變得非常的復雜。
3車橋耦合振動影響參數分析
由于影響車橋振動的因素很多，通過橋梁的車輛類型、車輛荷載的流量大小、行駛速度、車輛的行駛位置、車輛間距、軸重、車輛的動力持性等均有明顯的隨機性，是無法預知的。本文從有關文獻資料來看，影響橋梁結構動態(tài)特性的主要有以下幾種：
3.1車輛類型及荷載對橋梁動力響應的影響
不同的車輛的動力特性以及車輛的豎向和橫向自振頻率不同，車橋耦合系統(tǒng)動力響應及沖擊系數有明顯差異。如張黎明研究了不同車輛類型對橋梁中跨跨中動力響應的影響。其結果表明橋梁的動力響應受車輛類型影響顯著。具體結果見下表。
表1.不同車型工況下中跨跨中動力響應及沖擊系數[4]
從上表知，棟梁在廂式貨車作用下的加速度響應和中跨跨中豎向位移響應都大于福特汽車作用時。從橋梁的豎向加速度響應分析可以看出，廂式貨車豎向加速度RMS值（0.008）明顯大于小汽車（0.004）。車體橫向加速度和豎向加速度隨著行車位置改變而改變，并不一定出現在車行至橋梁跨中處。筆者認為引起諸如上述差別可能不僅與車輛類型有關，可能由于車輛荷載也有直接關系。Kawatnazli[5]研究了橋梁動力反應的標準差RMS及移動車輛的特征對橋梁車輛振動反應的影響。結果表明，在20t車輛荷載作用下，外梁響應力反應的RMS值小于內梁的RMS值；然而，當在25t車輛荷載的作用下，荷載位置在大約跨徑的3/10時，外梁應力反應的RMS值大于內梁的。結果還表明，路面粗糙度的參數對車橋振動反應的影響非常顯著，即使在考慮扭轉振動的情況下亦是如此.
3.2車輛速度對車橋系統(tǒng)動力響應的影響
車輛過橋速度對橋的影響受到眾多學者關注。當車輛過橋速度較大時，車體的最大豎向加速度一般也隨著增大，顛簸程度較厲害，但橋的最大擾度并不一定是單調增加的。車體豎向加速度的變化直接指示著行車的顛簸程度，所以日常生活中，我們可以通過減緩行駛速度來減少車體的顛簸程度，從而提高行車的舒適度。但是車在橋上行駛的時間相對較短，使得顛簸的次數減少，同時車體豎向位移及豎向加速度隨著行車位置改變而改變。車輛的各項動力響應并不是隨著速度的增加而增大，換句話說，車輛的各項動力響應不與速度成正比關系。瞿偉廉[6]通過建立了車輛的橋梁的模態(tài)模型和三維離散自由度模型，對萬州長江大橋的車橋耦合振動進行了研究。結果表明當車速為80km/h到100km/h時，無論是橋梁還是車輛，其動力響應并沒有因車速的變化而產生較大的影響，只是略有增長，其中對橋梁跨中橫向位移影響最小，而橋梁跨中橫向加速度變化比較明顯。
3.3路面不平順對車橋系統(tǒng)動力響應的影響
路面不平順是施工過程中一些難以人為控制的偶然因素造成的，如氣候、環(huán)境、施工、材料等以及交通重復荷載的作用而形成的。地面表面的崎嶇不平在公路和機場工程中被稱為不平度。實際上，從空間尺度上來講，任何不規(guī)則的表面，小到幾個毫米的村料表面，大至地面縱向成百上干米的高低起伏的地貌都應屬于不平度的范疇
據研究，車身固有頻率在60～85次/min(1～1.4Hz)內，人的感受較舒適，當f≥150次/min時，人有明顯沖擊感覺，而f≤40次/min時，人有暈船的感覺。車輛行駛過程中，除了以上幾個參數外，橋面平整度也會直接影響車橋耦合振動，當這種振動達到一定的程度，乘客會感到疲勞和不舒適。路面不平順對車橋系統(tǒng)耦合振動影響較大。從計算的角度來看，若不考慮橋面平整度，則得出的動撓度值明顯小于考慮橋面平整度時的動撓度值。張黎明在其碩士論文中分別采用光滑、A、B、C四種路面，研究不同路面等級對車橋系統(tǒng)動力響應的影響。結果如表2.。
表2.不同路面等級下車輛動力響應[4]
從表2.可以看出，橋面不平順狀態(tài)是改變車輛動力響應的一個重要因素。隨著路況的變壞，車體豎向振動顯著增大，車體的豎向加速度響應也隨著路況的惡化迅速增大。C級路面豎向加速度最大值是A級路面的4倍左右。車輛的動力響應主要由路面不平順和橋梁變形兩部分激勵綜合作用產生。橋梁變形對車輛動力響應的貢獻較小，而車體的動力響應主要還是由路面不平順控制。隨機不平順對橋梁沖擊響應影響也帶來較大隨機性，同時橋面不平順和車速激勵頻率與車橋耦合系統(tǒng)固有頻率接近會使橋沖擊響應顯著增大。有研究表明，影響橋梁沖擊系數最重要的兩個因素是列車上橋的初始條件和軌道不平順，車輛初始運動以及軌道不平順引起的沖擊系數分別占橋梁沖擊系數總值的40%左右，兩者之和大約占橋梁沖擊數系的80%。
4結語
綜上所述，影響車橋系統(tǒng)耦合振動的因素眾多且具有隨機性。本文主要探討了車輛類型及荷載、速度和路面不平度對車橋系統(tǒng)動力響應的影響。一定范圍內車速對舒適度有顯著影響，同時路面不平順對車橋系統(tǒng)耦合振動影響較大。因此，提高路面等級或加強路面養(yǎng)護能有效地提高車輛的行駛平穩(wěn)性，延長橋梁的使用壽命和改善車橋耦合動力相互作用。
參考文獻：
[1] 王永平,陳彥江,付金科.單車荷載下簡直梁的動力特性和響應的試驗研究[J].土木工程學報,1995,28(5):39-46.
[2] 宋一凡.公路橋梁動力學[M].北京:人民交通出版社,2000.74-94.
[3] 張黎明.大跨度連續(xù)剛構橋車橋藕合振動研究[D].成都,西南交通大學.2007.
[4] Kawatani，M.，andKOmatsu，.Nonstationaryrandomresponseofhighwaybridgesunderaseriesofmovingvehicles，StruturalEngineering/EarthquakeEngineering，JSCE，5(1988)，No.2，285-292.
[5] 瞿偉廉,劉嘉.萬州長江大橋車橋耦合振動的研究[J],華中科技大學學報(城市科學版),2004,9(21):1-4.
