橋面不平整度對橋梁沖擊系數(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不同跨度及寬度簡支梁橋沖擊系數(shù)的影響，結果表明，橋面不平整對橋梁沖擊系數(shù)影響顯著，且與橋梁的寬跨比有關；當寬跨比小于1.0，橋面不平整時沖擊系數(shù)隨著橋梁寬跨比變化明顯，而當寬跨比在2.0～3.0之間時，沖擊系數(shù)的變化趨勢減緩，相對穩(wěn)定，寬跨比的影響可以忽略。

沖擊系數(shù)，不平整度，寬跨比，動響應

0 引言

在現(xiàn)行的各國橋梁設計規(guī)范當中，沖擊系數(shù)的取值大多是隨加載長度或跨度的增加為遞減函數(shù)的運算公式。然而，這一公式并不能很好的綜合反映各種因素對沖擊系數(shù)的影響。因此，國內(nèi)外仍在對于這一研究問題進行大量的現(xiàn)場實驗以及理論研究，希望能得到對沖擊系數(shù)的合理表達公式[1-4]。我國的橋梁規(guī)范中規(guī)定橋梁的沖擊系數(shù)只和橋梁的結構頻率相關[5，6]，這是不符合實際安全性的。特別是對于老舊橋梁，當橋上荷載因橋面平整度惡化對橋梁的沖擊作用將更加突出，對橋梁的承載能力和結構安全則影響更大。因此，橋面的平整度對沖擊系數(shù)的影響研究不容忽視。

為此，本文采用有限元的方法，建立標準跨徑的橋梁模型，同時設置橋面平整度，分別進行靜力和動力分析。通過對比橋梁結構的跨中靜撓度和動撓度，建立橋面平整度對橋梁沖擊系數(shù)的影響規(guī)律，為橋梁的結構設計提供理論依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 參數(shù)設置

根據(jù)《公路橋梁通用設計規(guī)范》中規(guī)定的行車道寬度設計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、對應不同寬跨比的鋼筋混凝土簡支梁模型。所有鋼筋混凝土簡支梁橋模型的混凝土材料強度取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 動荷載的施加

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

2 橋面平順時簡支梁橋動態(tài)響應分析

采用上述模型，按照動荷載的施加方法，計算并提取跨中節(jié)點的位移時程響應。圖1給出了不同跨徑簡支梁橋隨寬跨比的最大動撓度曲線。可以看出，對于相同跨徑橋梁，隨著寬跨比的增加動力響應越小。當寬跨比小于1.4時，動力響應隨著寬跨比的減小，動撓度下降明顯，而當寬跨比大于1.4時動撓度隨寬跨比的變化趨緩。

3 考慮橋面不平整度為5 cm時簡支梁橋動態(tài)響應分析

將擊振塊高度改為5 cm后，對結構動力響應進行求解，讀取跨中最大撓度值。圖2給出了根據(jù)橋面不平順時鋼筋混凝土簡支梁橋動力撓度圖。

橋面不平整情況下橋梁的動力響應值明顯大于橋梁平整時的撓度值。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，橋梁的動力響應值變化劇烈，寬跨比大于1.4時，橋梁動力響應隨寬跨比增大變化趨緩，這與橋面平順時橋梁的動響應規(guī)律相同。

4 沖擊系數(shù)分析

4.1 規(guī)范沖擊系數(shù)的計算

使用ANSYS中的模態(tài)分析對所建鋼筋混凝土簡支梁橋的模型進行模態(tài)分析，計算結構的基本頻率。進一步，根據(jù)規(guī)范中沖擊系數(shù)的計算公式[6]計算出橋梁規(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)的計算

首先，采用上述鋼筋混凝土簡支梁橋模型進行靜力分析，計算簡支梁橋在跨中施加集中荷載作用時，結構產(chǎn)生的最大靜位移。圖3給出了鋼筋混凝土簡支梁橋的靜撓度曲線。依據(jù)跨中靜撓度和動撓度結果，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為最大靜力效應值；yd為最大動力效應值。

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)。當寬跨比小于1，橋面不平整時沖擊系數(shù)隨著橋梁寬跨比變化明顯，而當寬跨比在2～3之間時，沖擊系數(shù)的變化趨勢減緩，寬跨比的影響可以忽略。

5 結語

基于有限元方法研究橋面不平整度對不同跨度及寬度簡支梁橋沖擊系數(shù)的影響。結果表明，橋面不平整對橋梁沖擊系數(shù)影響顯著，且與橋梁的寬跨比有關。此外，橋面不平整時的沖擊系數(shù)大于基于規(guī)范的沖擊系數(shù)計算值，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.公路橋梁與車輛耦合振動研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工程力學，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] 李亞東.橋梁工程概論[M].第2版.成都：西南交通大學出版社，2006.

[6] JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規(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，高級工程師

1009-6825(2015)17-0152-03

U445.71

A