車橋耦合振動方法評述

【摘要】車輛通過橋梁時將引起橋梁結構的振動，而橋梁的振動又反過來影響車輛的振動，這種相互作用，相互影響的問題就是車輛與橋梁之間的車橋耦合振動問題，利用車輛荷載作為激勵，研究車橋耦合從而獲得橋梁振動響應，逐漸被應用到工程領域中。

【關鍵詞】車橋耦合；橋梁評估

近年來，隨著中國交通運輸系統的不斷完善，交通高速化、重載化以及結構輕型化趨勢日益增強，車輛與結構（道路、橋隧結構等）相互之間的動力耦合問題變得尤為突出。對車輛與結構耦合系統進行科學系統地綜合分析研究，對于承受移動荷載作用的交通土建工程結構物的設計、建造、運營養護與檢測均具有十分重要的意義。

1、車橋耦合振動研究經典理論及研究

1.1國外方面

1）勻速移動常量力理論：1905年，俄國學者Krylov A N[1]首次研究了在勻速恒定力作用下簡支梁的振動問題，由于當時的局限性，他的理論中車橋系統無耦合，相對較為簡單。

2）勻速移動簡諧力理論：1922年，Timoshenko S[2]研究了一個簡諧力勻速通過簡支梁的情況，能夠反應出車輛荷載的一些基本特點。

3）勻速滾動質量理論：1937年，Schauenkamp[3]開辟思路，考慮到質量慣性力的移動荷載影響，來分析簡支梁的動力響應問題，并得出了理論解。

4）勻速移動質量一彈簧模型：1954年，Biggs[4]提出了將車輛分解為一個由質量和彈簧組成的系統，極大地推動了車橋耦合振動研究的進展。

1.2國內方面

1941年，李國豪[5]教授首次研究了懸索橋在鐵路列車荷載作用下的強迫振動問題和拱橋的車輛振動問題，此后，國內隨即展開了對車橋耦合振動的研究。80年代初，鐵道部科學研究院程慶國院士、潘家英研究員[6]指導其博士生們對車橋耦合振動進行了研究。1983年，張健峰[7]探討了大跨度斜拉橋的橫向剛度問題。80年代中期，西南交通大學沈銳利[8]詳細研究了剛桁梁橋的車橋空間耦合問題；北方交通大學夏禾、閻貴平[9]等研究了考慮車-橋-墩-基礎系統的相互作用、車橋系統動力可靠性等問題，得到了許多有價值的結論。

1996年，譚國輝[10]將車橋看作一個整體，采用格柵比擬的方法，將一維的格柵橋梁與二維的車輛模型組合起來模擬他們之間的關系及相互作用。

2000年，林梅、肖盛燮[11]基于結構動力學，分析了連續梁橋在車載作用下的動態性能，結合模型數值模擬，討論了不同車型、不同車速作用下的橋梁動態響應變化，以此分析影響結構動態性能的主要因素。2004年，陳炎[12]用正弦波模擬橋面不平整度，指出路面的不平整度不可忽略。2006年，周新平[13]在長安大學宋一凡教授的指導下，采用有限元ANSYS數值分析軟件，通過有限元迭代分析方法對車橋耦合振動進行分析研究。

2、車橋耦合振動研究模型

在橋梁的分析模型方面，主要有限元數值模擬法（簡稱有限元法）和模態分析法。由于模態分析法局限性較大，且不適用于評價橋梁的局部振動。隨著計算機程序的不斷進步及有限元理論的發展，有限元法已成為建立橋梁模型的主要方法。對有限元法而言，最為重要的是（1）單元類型的選取（2）結構的離散方式（3）車輛仿真模型（4）求解方法。

大多數研究者利用有限元法進行車橋耦合振動問題的求解，一種是將車輛與橋梁看作兩個子系統分別模擬，形成不同的模型，根據車輪和橋梁接觸點處位移協調條件和力的平衡條件等進行迭代求解；另一種是將車輛與橋梁模擬成一個整體，使二者的剛度、質量、阻尼、自由度等高度耦合，共同分析。

3、發展前景

研究車橋耦合問題是試圖通過車輛的振動響應來檢測橋梁的性能。橋梁在運營過程中，承受的是車輛作用下的動荷載，對橋梁進行檢測時，中斷交通相對不方便，所以利用車輛荷載作為激勵既方便又經濟，逐漸被應用到工程領域中，具有較好的發展前景。