橋面不平整度對(duì)橋梁沖擊系數(shù)的影響研究

訾 建 峰

(天津市市政公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，天津 300384)

橋面不平整度對(duì)橋梁沖擊系數(shù)的影響研究

訾 建 峰

(天津市市政公路工程質(zhì)量監(jiān)督站，天津 300384)

采用有限元方法，研究了橋面不平整度對(duì)不同跨度及寬度簡(jiǎn)支梁橋沖擊系數(shù)的影響，結(jié)果表明，橋面不平整對(duì)橋梁沖擊系數(shù)影響顯著，且與橋梁的寬跨比有關(guān)；當(dāng)寬跨比小于1.0，橋面不平整時(shí)沖擊系數(shù)隨著橋梁寬跨比變化明顯，而當(dāng)寬跨比在2.0～3.0之間時(shí)，沖擊系數(shù)的變化趨勢(shì)減緩，相對(duì)穩(wěn)定，寬跨比的影響可以忽略。

沖擊系數(shù)，不平整度，寬跨比，動(dòng)響應(yīng)

0 引言

在現(xiàn)行的各國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，沖擊系數(shù)的取值大多是隨加載長(zhǎng)度或跨度的增加為遞減函數(shù)的運(yùn)算公式。然而，這一公式并不能很好的綜合反映各種因素對(duì)沖擊系數(shù)的影響。因此，國(guó)內(nèi)外仍在對(duì)于這一研究問(wèn)題進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及理論研究，希望能得到對(duì)沖擊系數(shù)的合理表達(dá)公式[1-4]。我國(guó)的橋梁規(guī)范中規(guī)定橋梁的沖擊系數(shù)只和橋梁的結(jié)構(gòu)頻率相關(guān)[5，6]，這是不符合實(shí)際安全性的。特別是對(duì)于老舊橋梁，當(dāng)橋上荷載因橋面平整度惡化對(duì)橋梁的沖擊作用將更加突出，對(duì)橋梁的承載能力和結(jié)構(gòu)安全則影響更大。因此，橋面的平整度對(duì)沖擊系數(shù)的影響研究不容忽視。

為此，本文采用有限元的方法，建立標(biāo)準(zhǔn)跨徑的橋梁模型，同時(shí)設(shè)置橋面平整度，分別進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析。通過(guò)對(duì)比橋梁結(jié)構(gòu)的跨中靜撓度和動(dòng)撓度，建立橋面平整度對(duì)橋梁沖擊系數(shù)的影響規(guī)律，為橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)《公路橋梁通用設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的行車(chē)道寬度設(shè)計(jì)所需研究的鋼筋混凝土橋梁的尺寸，選取矩形梁截面，利用有限元軟件ANSYS分別建立10 m，12 m，14 m，16 m，18 m和20 m跨徑、對(duì)應(yīng)不同寬跨比的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁模型。所有鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋模型的混凝土材料強(qiáng)度取C30，彈性模量Ec=3.0e10 N/m2，泊松比0.2，密度為2 500 kN/m3。采用Solid65單元模擬混凝土材料，鋼筋采用HRB335，鋼筋配筋率采用0.4%。

1.2 動(dòng)荷載的施加

選用擊振的方法對(duì)行車(chē)道板跨中位置施加動(dòng)荷載，為了模擬車(chē)輛荷載作用下橋梁的振動(dòng)響應(yīng)，模型中采用質(zhì)量塊對(duì)簡(jiǎn)支梁橋施加振動(dòng)荷載，并對(duì)簡(jiǎn)支梁橋模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，求解在動(dòng)荷載作用下的跨中最大位移。

2 橋面平順時(shí)簡(jiǎn)支梁橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

采用上述模型，按照動(dòng)荷載的施加方法，計(jì)算并提取跨中節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程響應(yīng)。圖1給出了不同跨徑簡(jiǎn)支梁橋隨寬跨比的最大動(dòng)撓度曲線。可以看出，對(duì)于相同跨徑橋梁，隨著寬跨比的增加動(dòng)力響應(yīng)越小。當(dāng)寬跨比小于1.4時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)隨著寬跨比的減小，動(dòng)撓度下降明顯，而當(dāng)寬跨比大于1.4時(shí)動(dòng)撓度隨寬跨比的變化趨緩。

3 考慮橋面不平整度為5 cm時(shí)簡(jiǎn)支梁橋動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

將擊振塊高度改為5 cm后，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行求解，讀取跨中最大撓度值。圖2給出了根據(jù)橋面不平順時(shí)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋動(dòng)力撓度圖。

橋面不平整情況下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)值明顯大于橋梁平整時(shí)的撓度值。相同寬跨比的條件下，跨度越大撓度越大。同一跨徑下橋梁撓度隨寬跨比增加而減小。寬跨比小于1.4時(shí)，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)值變化劇烈，寬跨比大于1.4時(shí)，橋梁動(dòng)力響應(yīng)隨寬跨比增大變化趨緩，這與橋面平順時(shí)橋梁的動(dòng)響應(yīng)規(guī)律相同。

4 沖擊系數(shù)分析

4.1 規(guī)范沖擊系數(shù)的計(jì)算

使用ANSYS中的模態(tài)分析對(duì)所建鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋的模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的基本頻率。進(jìn)一步，根據(jù)規(guī)范中沖擊系數(shù)的計(jì)算公式[6]計(jì)算出橋梁規(guī)范中的沖擊系數(shù)(如表1所示)。

表1 規(guī)范沖擊系數(shù)

4.2 模型沖擊系數(shù)的計(jì)算

首先，采用上述鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋模型進(jìn)行靜力分析，計(jì)算簡(jiǎn)支梁橋在跨中施加集中荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大靜位移。圖3給出了鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋的靜撓度曲線。依據(jù)跨中靜撓度和動(dòng)撓度結(jié)果，根據(jù)式(1)確定橋梁模型的沖擊系數(shù)，并與基于規(guī)范確定的橋梁沖擊系數(shù)進(jìn)行比較。

圖4～圖7分別給出了跨徑10 m，14 m，16 m和18 m橋梁在考慮橋面平順以及不平整狀態(tài)下的沖擊系數(shù)與規(guī)范計(jì)算值隨寬跨比的變化曲線。

1+μ=yd/yj

(1)

其中，yj為最大靜力效應(yīng)值；yd為最大動(dòng)力效應(yīng)值。

從圖4～圖7可以看出，橋跨不變的情況下，規(guī)范中規(guī)定的沖擊系數(shù)是不變的，而基于模型確定的橋梁沖擊系數(shù)隨著寬跨比增大而減小。此外，橋面不平整對(duì)橋梁沖擊系數(shù)影響顯著，明顯高于橋面平順狀態(tài)和基于規(guī)范確定的沖擊系數(shù)。當(dāng)寬跨比小于1，橋面不平整時(shí)沖擊系數(shù)隨著橋梁寬跨比變化明顯，而當(dāng)寬跨比在2～3之間時(shí)，沖擊系數(shù)的變化趨勢(shì)減緩，寬跨比的影響可以忽略。

5 結(jié)語(yǔ)

基于有限元方法研究橋面不平整度對(duì)不同跨度及寬度簡(jiǎn)支梁橋沖擊系數(shù)的影響。結(jié)果表明，橋面不平整對(duì)橋梁沖擊系數(shù)影響顯著，且與橋梁的寬跨比有關(guān)。此外，橋面不平整時(shí)的沖擊系數(shù)大于基于規(guī)范的沖擊系數(shù)計(jì)算值，因此，依據(jù)規(guī)范不考慮橋面不平整度確定沖擊系數(shù)是不安全的。

[1] 李玉良.公路橋梁沖擊系數(shù)隨機(jī)變量的概率分布及沖擊系數(shù)譜[J].公路，1996(3)：1-6．

[2] 李小珍.公路橋梁與車(chē)輛耦合振動(dòng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工程力學(xué)，2008(25)：230-240．

[3] 宋一凡，賀拴海．公路橋梁沖擊系數(shù)的影響因素分析[J].橋梁，2001(2)：47-49.

[4] 楊艷娟.公路橋梁沖擊系數(shù)的理論分析與探討[J].橋梁，2009(9)：49-50.

[5] 李亞?wèn)|.橋梁工程概論[M].第2版.成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

[6] JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

Research on the effect of roughness on the bridge impact coefficient

Zi Jianfeng

(TianjinMunicipalRoadEngineeringQualitySurveillance,Tianjin300384，China)

The bridge impact coefficient influenced by roughness of bridge floor based on finite element method. Results indicate that roughness prominently influenced on the bridge impact coefficient. It relates to the bridge width-span ratio. The impact coefficient changed with width-span ratio obviously as width-span ratio less than 1.0. While the impact coefficient changed slow down as width-span ratio between 2.0 and 3.0, and the influence of bridge width-span ratio on the impact coefficient could be ignore.

impact coefficient, roughness, width-span ratio, dynamic response

2015-04-03

訾建峰(1977- )，男，碩士，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)17-0152-03

U445.71

A