曲線梁橋沖擊系數(shù)研究初探

黃己偉

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000)

曲線橋是現(xiàn)代橋梁工程中的一種重要橋型，隨著城市高速公路的新建和城市建設(shè)的進一步發(fā)展，在城市道路網(wǎng)中立交橋的數(shù)量將日益增多。為了增添城市景觀，使橋梁按路線的平面布置和提高交通樞紐的使用功能，平面曲線橋在很多地方被廣泛采用。

車輛以一定的速度行駛在橋梁上時，會對橋梁產(chǎn)生振動，這時對橋梁產(chǎn)生的動力效應(yīng)往往會大于其靜止作用在橋上所產(chǎn)生的靜力效應(yīng)。在公路橋梁設(shè)計規(guī)范中，采用沖擊系數(shù)來反映車輛對橋梁的沖擊效益，從而保證橋梁的安全使用。張為民[1]探討了大跨度混凝土公路橋梁沖擊系數(shù)取值問題；許士強等[2]對國內(nèi)外規(guī)范中公路橋梁沖擊系數(shù)進行了對比研究；王海城、施尚偉[3]對橋梁沖擊系數(shù)影響因素分析及偏差成因進行了分析。值得指出的是，這些研究大多集中在直梁橋，對曲線梁橋沖擊系數(shù)研究較少。

1 曲線梁橋特點

1.1 受力特點

曲線梁橋除具有直線梁橋一般的受力特點外，還具有以下受力特點[4]：

(1)彎扭耦合作用。由于曲率的影響，曲線橋梁同時承受彎矩和扭矩作用，并且相互耦合。此為曲線梁橋的主要受力特點。

(2)在平面彎橋中，無論荷載偏心與否，均產(chǎn)生彎矩和扭矩，甚至在支承處也承受較大的扭矩。

(3)內(nèi)側(cè)梁和外側(cè)梁受力不均。曲線梁橋由于存在較大的扭矩，曲線橋的外梁荷載加重，內(nèi)梁荷載減輕，內(nèi)外梁應(yīng)力產(chǎn)生差別。在某些情況下，內(nèi)側(cè)梁支點甚至可能產(chǎn)生負反力。特別是當靜荷載較小、曲率半徑較小時，這種現(xiàn)象比較明顯。

1.2 支承布置

根據(jù)不同的布置方式將曲線梁橋的支承類型分成以下四種形式：(1)在每個橋墩上設(shè)置抗扭支承；(2)僅在主梁兩端設(shè)置抗扭支承，中間支承均設(shè)置點鉸支承；(3)當中間支墩均為獨柱式的柔性橋墩時，采用墩梁固結(jié)支承；(4)中間支承采用抗扭支承和點鉸支承交替設(shè)置。曲線梁橋支承布置形式見圖1所示。

圖1 曲線梁橋支承布置形式

2 各國規(guī)范對沖擊系數(shù)的規(guī)定

沖擊系數(shù)是汽車過橋時對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動力響應(yīng)的放大系數(shù)。動荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動撓度，比相同靜荷載所產(chǎn)生的相應(yīng)靜撓度要大。將橋梁控制截面的最大動撓度與最大靜撓度之比稱為動力系數(shù)，沖擊系數(shù)的定義為：

式中：μ為沖擊系數(shù)；δ為動力系數(shù)；fdmax為最大動撓度；fjmax為最大靜撓度。

現(xiàn)列出各國規(guī)范中關(guān)于沖擊系數(shù)的有關(guān)規(guī)定。

2.1 中國相關(guān)規(guī)范

1985規(guī)范中對鋼筋混凝土橋梁沖擊系數(shù)的規(guī)定：

式中：L為跨徑；μ為沖擊系數(shù)。以下公式含義與此相同。

2004規(guī)范(JTG D60-2004)中對沖擊系數(shù)的規(guī)定：

式中：f為結(jié)構(gòu)基頻。以下公式含義與此相同。

2.2 美國相關(guān)規(guī)范

(1)AASHTO標準公路橋梁設(shè)計規(guī)范—1996，沖擊系數(shù)為跨徑的函數(shù)：

I=15.24/(L+38.1)

式中：I為沖擊系數(shù)；L為跨徑。

(2)AASHTO LRFD 標準公路橋梁設(shè)計規(guī)范—1998，對設(shè)計荷載作了很大的修正，它包括卡車荷載和車道荷載兩部分，車道荷載不考慮沖擊系數(shù)。

卡車荷載的沖擊系數(shù)為：

曲線工字梁橋：ID=0.25

曲線箱梁橋：

2.3 加拿大相關(guān)規(guī)范

(1)OHBDC-1979

(2)OHBDC-1982

2.4 印度相關(guān)規(guī)范

對于車隊荷載：

對于輪式車輛：μ=0.25

2.5 蘇聯(lián)相關(guān)規(guī)范

鋼橋：

鋼筋混凝土梁式橋：

鋼筋混凝土拱橋：

2.6 德國相關(guān)規(guī)范

德國DIN1072規(guī)范鋼橋、混凝土橋：

μ=0.4-0.008L;L≥50 m時，μ=0

2.7 日本相關(guān)規(guī)范

日本公路橋規(guī)范(1972年規(guī)范)

鋼橋：

預(yù)應(yīng)力混凝土橋：

鋼筋混凝土橋：

2.8 法國相關(guān)規(guī)范

法國(Fasicule special 60-17bis)規(guī)范鋼橋、混凝土橋：

式中：G為恒載;P為活載。

從以上可以看出，無論是國內(nèi)還是國外，對于曲線橋梁沖擊系數(shù)取值都沒有非常明確的依據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗公式可供廣大設(shè)計者參考。很多研究表明：連續(xù)梁橋同一位置處的撓度沖擊系數(shù)總是大于彎矩沖擊系數(shù)，且隨著跨徑的增大有減小的趨勢[5]；多跨連續(xù)梁橋邊跨和中跨的沖擊系數(shù)差異較大，橋梁應(yīng)考慮采用不同的沖擊系數(shù)[6]。因此，有必要對曲線橋沖擊系數(shù)進行探討。

3 曲線梁橋沖擊系數(shù)探討

曲線梁橋無論是在橋型布置、構(gòu)件形式還是受力特點等方面與直梁橋都有所不同，因而其沖擊系數(shù)的計算方法相比直梁橋而言要復(fù)雜些。相關(guān)研究表明[7]：影響曲線橋沖擊系數(shù)的主要因素包括：(1)車輛自身的動力特性，包括軸距﹑軸重等；(2)車輛行駛速度；(3)橋梁結(jié)構(gòu)自身的動力特性，比如橋梁結(jié)構(gòu)形式、支撐條件等；(4)行駛在橋梁上車輛的數(shù)量及其在橋梁上的分布位置；(5)橋面平整度、伸縮裝置性能等。

筆者認為，在考慮影響橋梁沖擊系數(shù)主要因素、忽略次要因素的條件下，至少可以從以下幾個方面來研究：

(1)車輛行駛速度。對于某一座具體的曲線梁橋，在橋面等級相同的條件下，用不同車速20 km/s、40 km/s、60 km/s在橋面上行駛，計算其沖擊系數(shù)值，同時對比按規(guī)范計算出來的值。

(2)車—橋耦合作用。在研究車—橋系統(tǒng)的耦合振動時，由于車輛荷載是移動的，并且車輛荷載本身也是一個帶有質(zhì)量的振動體系，這使得車—橋耦合系統(tǒng)的動力特性隨荷載位置的移動而不斷變化。可采用廣義坐標離散法推導(dǎo)基于自身假設(shè)條件下的二維系統(tǒng)動力平衡方程組。接著再確定耦合計算時的相關(guān)參數(shù)：① 橋梁自振頻率與振型的計算；② 振型阻尼矩陣的確定；③車輪作用處的振型函數(shù)值；④求解車—橋運動方程組。

(3)曲線半徑。曲率是曲線橋區(qū)別于直線橋的特征之一。在其他條件相同的情況下，探討不同的曲線半徑對沖擊系數(shù)的影響。

(4)橋面平整度。不同等級橋面平整度對橋梁特征截面的動力響應(yīng)有一定的影響。國內(nèi)外學(xué)者普遍使用路面功率譜函數(shù)表示路面平整度，其中廣泛使用的是ISOSC2/WG4 標準中的路面平整度功率譜。再利用MATLAB軟件處理隨機數(shù)的功能，模擬得到曲線橋梁橋面平整度曲線，然后再用有限元軟件進行數(shù)值模擬。

4 結(jié)束語

現(xiàn)行規(guī)范中對曲線橋梁沖擊系數(shù)的確定沒有非常明確的依據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗公式，在橋梁設(shè)計時，對車輛的動力沖擊作用的考慮偏于不安全，特別是在當前車輛超載比較嚴重的現(xiàn)實情況下。因此曲線橋沖擊系數(shù)的合理取值仍將是一個需要深入研究的課題。

在今后的研究中除了建立合理的車橋耦合模型進行有限元分析外，還應(yīng)進行大量的工程試驗，這樣才能為曲線橋梁設(shè)計中沖擊系數(shù)的選取提供更加可靠的依據(jù)。

[1] 張為民. 大跨度混凝土公路橋梁沖擊系數(shù)的探討[J]. 低溫建筑技術(shù)，2009，(5)：42-43

[2] 許士強，陳水生，桂水榮. 公路橋梁汽車沖擊系數(shù)對比研究[J]. 市政工程設(shè)計，2006，(12)：73-75

[3] 王海城，施尚偉. 橋梁沖擊系數(shù)影響因素分析及偏差成因[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007,26(5)：25-28

[4] 蔡鋒.曲線梁橋結(jié)構(gòu)分析研究與程序計算[D].西安：長安大學(xué)，2002

[5] X. Q. Zhu,S. S. Law. Dyna mic Load on Continuous multi-lane Bridge Deckfro m moving Vehicles[J]. Journal of Sound and Vibration. 2002, 251(4)：697-716

[6] 盛國剛，彭獻，李傳習(xí)．連續(xù)梁橋與車輛耦合振動系統(tǒng)沖擊系數(shù)的研究[J]．橋梁建設(shè)，2003，(6)：5-7

[7] 李忠獻，陳鋒. 曲線箱梁橋的車橋相互作用分析[J]. 工程力學(xué)，2007，(11)：93-99