簡支變連續(xù)橋梁的動力性能研究

李紀東

(黑龍江省收費公路管理局養(yǎng)護處)

0 前言

為保證現(xiàn)有公路橋梁具有良好的動力工作性能，需要了解其在移動車輛荷載作用下的動力響應(yīng)。通過車橋耦合振動分析，模擬橋梁的實際運營荷載和振動情況，可以得到在移動車輛荷載作用下橋梁的動力響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，評價現(xiàn)有公路橋梁的動力工作性能，指出橋梁在設(shè)計中存在的問題，提出動力優(yōu)化的設(shè)計建議。

1 動力工作性能評價標準

公路橋梁應(yīng)具有良好的動力工作性能，以保證車輛以規(guī)定的速度通過橋梁時，橋梁不出現(xiàn)過大的振動，防止結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生較大的動應(yīng)力，從而保證橋梁的使用安全性。

我國現(xiàn)行橋梁規(guī)范通過限制橋梁的活載撓度來避免行車時產(chǎn)生振動顛簸和沖擊，以保證行車舒適性和減少振動損害。但研究表明，活載撓度限制并不能有效地控制橋梁結(jié)構(gòu)的振動。橋梁振動的評價指標需要從橋梁結(jié)構(gòu)的動內(nèi)力、振動舒適度兩方面來考慮，而結(jié)構(gòu)動內(nèi)力和振動舒適度主要受到橋梁的振幅、振動速度、振動加速度等的影響。在本研究中，對于混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋，橋梁的動力工作性能通過橋梁振幅和橋梁加速度兩個指標來評價。

(1)振動加速度限值探討

參照加拿大安大略省橋梁規(guī)范OHBDC，加速度評價標準采用加速度容許值與豎向自振頻率f1之間存在如下關(guān)系：

所求得的加速度限值如表1所示。

(2)橋梁豎向振幅限值探討

根據(jù)我國現(xiàn)行公路橋規(guī)(JTG D60-2004)，橋梁在汽車荷載作用下的靜撓度yst應(yīng)滿足yst≤L/K，對于梁式橋K=600，懸臂梁K=300。而振幅D=yd-yst=μyst(μ為沖擊系數(shù))。

因此，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，振幅應(yīng)滿足：

根據(jù)實測結(jié)果，橋梁的一階自振頻率f1與橋梁跨徑L存在如下關(guān)系：

可以得到常見公路中小跨徑橋梁的振幅限值［D］如表1所示。

表1 公路中小跨徑混凝土梁式橋的振幅限值

2 簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁車橋耦合振動響應(yīng)分析

(1)橋梁分析樣本的選取

①分析樣本范圍

本次分析采用的橋梁樣本是跨徑范圍為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋和簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁橋，并按照標準圖的不同橋梁寬度進行變化，采用空間梁格模型對橋梁結(jié)構(gòu)進行模擬。

②車輛樣本的選取

由于車輛系統(tǒng)的彈性參數(shù)和阻尼參數(shù)以及部分慣性參數(shù)沒有完整的資料，因此車輛的各種參數(shù)只能參照相關(guān)文獻給出。為盡可能有代表性地研究車輛的動力特性與橋梁沖擊系數(shù)之間的關(guān)系，在進行車橋耦合振動分析時，采用整體式空間雙軸車輛模型，各車輛模型參數(shù)按表2取值。根據(jù)載重汽車的實際運行情況，確定車輛的行駛速度為25.0 m/s(相當于90.0 km/h)。

表2 車輛模型參數(shù)

(2)車橋耦合振動響應(yīng)分析及評價

利用編制的車橋耦合振動程序?qū)ι鲜鏊x樣本進行了車橋耦合振動響應(yīng)計算，對計算結(jié)果進行歸納總結(jié)，并與動力工作性能評價標準進行對比分析。

①簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋

圖1為預(yù)制簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁的動力響應(yīng)與相應(yīng)的動力響應(yīng)限值的關(guān)系曲線。由圖中可以看出：

(1)跨徑20～40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁的振幅均小于其振幅限值，且振幅只有其限值的1/3～1/2，在車輛通過橋梁時，橋梁只發(fā)生幅度很小的輕微振動。

(2)跨徑20～40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁的加速度均小于其加速度限值，且加速度只有其限值的1/2左右，說明目前使用的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁具有良好的動力工作性能和較好的舒適度。

圖1 簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁動力響應(yīng)

②簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁橋

圖2為預(yù)制簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁的動力響應(yīng)與相應(yīng)的動力響應(yīng)限值的關(guān)系曲線。由圖中可以看出：

(1)跨徑20～40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁的振幅均小于其振幅限值，且振幅只有其限值的1/5～1/4，在車輛通過橋梁時，橋梁只發(fā)生幅度很小的輕微振動。

(2)跨徑20～40 m簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁的加速度均小于其加速度限值，且加速度只有其限值的1/3左右，說明目前使用的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁具有良好的動力工作性能和很好的舒適度。

圖2 簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁動力響應(yīng)

3 結(jié)論

利用編制的車橋耦合振動程序，對目前公路上常用的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁，計算在不同車輛模型、不同車輛速度作用下的動力響應(yīng)，總結(jié)了這些橋梁的動力響應(yīng)變化規(guī)律。采用振幅和加速度作為動力響應(yīng)評價標準，對這些橋梁的動力工作性能進行了評價，研究表明。

(1)簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋的振幅只有其限值的1/3～1/2，加速度只有其限值的1/2左右，說明目前使用的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁具有良好的動力工作性能和較好的舒適度。

(3)簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁的振幅只有其限值的1/5～1/4，加速度只有其限值的1/3左右，說明目前使用的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁具有良好的動力工作性能和很好的舒適度。

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