公路大跨徑連續體系橋梁車橋耦合振動研究

任俊帥

山西交投忻阜高速公路管理有限公司 山西 忻州 035500

1 公路大跨徑連續體系橋梁車橋耦合振動研究的意義

1.1 降低對橋梁的不利影響，確保橋梁安全

車輛經過橋梁時會發生耦合振動，橋梁和行駛的車輛都容易產生安全問題，而且高墩大跨一般建在地勢崎嶇之處，車橋耦合導致的過大振動會引起人們心理上的不適。先對已投入使用的橋梁進行耦合振動研究，再在后續的橋梁構建中引入相關研究成果，確保橋梁結構和橋上行駛車輛的安全，改善乘車人員的心理狀態，減少貨物損失，更好地發揮公路橋梁為社會、人類和經濟服務的作用。

1.2 為我國公路橋梁事業的發展打下堅實的基礎

社會經濟的發展帶來高速公路的快速擴建，近年來我國又大力推行“一帶一路”，加強了對中西部地區公路和橋梁的建設，由于地形、建設經費、建設周期等原因，公路大跨徑連續體系橋梁成為大多數設計者們的首選方案，高墩大跨橋梁的建設數量日益增加。公路大跨徑連續體系橋梁車橋耦合振動的研究有著重大的實際應用意義，其研究成果將會為后續的公路和橋梁建設帶來重要的參考和借鑒，更為我們帶來更加安全的行車環境和行車體驗，帶來更大的經濟社會效益[1]。

2 車橋耦合振動的研究方法

研究車橋耦合振動一般采用試驗與理論相結合的方法。先找一個實例進行試驗，通過試驗的結果來驗證理論是否正確，如果正確，再用理論模型進行車橋耦合振動的仿真分析。下面是對車橋耦合振動的分析和研究方法的一些講述和探討。

2.1 橋梁的振動分析模型

橋梁結構的振動模型的影響因素包括橋梁的結構、斷面構造和梁的片數等。現在的主要分析模型是有限元法和模態坐標法。有限元法重視單元類型和結構的離散方式的選取，這兩者一旦確定，模型便初具雛形，根據這兩者的不同，橋梁的振動分析方法又分為桿系模型和格排梁模型。在實際運用中，有限元法不適合構建大型橋梁的模型，它的計算量過大且對計算機配置要求較高；而模態坐標法忽視了模型結構的非線性，要求主梁為等截面或近似等截面，使用時受到實際情況的限制，無法評價橋梁局部振動。后來研究者對兩種分析模型進行改進，提出了模態綜合法。

2.2 車輛分析模型

在車橋耦合振動分析中，比較重要的是對橋梁結構的分析，車輛分析模型在滿足實驗精準度的前提下可以盡量簡化，降低算法的難度，便于將得出的研究成果進行推廣。在車橋耦合振動分析中，車輛一般簡化為車身，輪軸，用來模擬車身與輪軸間的懸架以及輪胎的彈簧和阻尼器。一般只要確定了車軸數和其他部件的運動自由度，模型搭建基本上就成功了。現在車輛分析模型主要有三種，包括三維車輛模型、平面車輛模型和仿真模型。

2.3 路面不平整度

根據研究發現，路面的平整度對車橋耦合振動也有著較大的影響。對于PC橋梁，車輛通過不平整橋面時對橋的影響較顯著大；對于斜拉橋，在接近橋塔的主梁受橋面不平整度沖擊大，主塔塔基處彎矩會出現較大數值，而且對斜拉索的沖擊效果變化很大，最短的斜拉索受其影響最大，隨著長度的而增加，斜拉索受其影響越來越小。

2.4 耦合力的求解

車輛的第i輪軸對橋梁的作用力為：

FiB=KityreΔi+CityreΔ·i+FiGV，其中Δi=Zityre-UiBR(xi)。Kityre、Cityre分別表示車輪的第i輪軸豎向剛度和阻尼系數；Δi指第i輪軸與橋面間的相對位移；FiGV是第i輪軸分擔的車體重力分量；Zityre指第i輪軸的豎向位移；UiB是橋梁在第i輪軸處的位移；R(xi)代表橋梁在第i輪軸處的不平整值。由于車橋耦合振動方程是一個非線性方程，所以一般采用逐步積分法，包括線性加速度法、Willson-θ法和Newmark-β法等[2]。

3 如何更好地促進公路大跨徑連續體系橋梁的發展

3.1 重視橋梁的橋面平整度

車輛運行的振動狀態受橋面的平整度影響較大，工程設計者在設計時要充分考慮到包含橋面平整度參數的沖擊系數公式，不同平整度的橋面要及時調整沖擊系數。當出現橋面平整度下降時，橋梁養護維修部門要重視并及時采取措施提高橋面平整度，減少不平橋面對通過的車輛的不利影響。

3.2 車輛在運行時要注意運行速度和車間距

公路大跨徑連續體系橋梁的振動設計基頻不能和單車輛、多車輛振動頻率相同，多車輛通過橋梁時，如果有長時間的一致車速與車間距容易產生頻繁的車橋耦合共振問題。為了解決出現的車橋耦合振動問題，公路橋梁管理部門在運營時可在不同的車道、不同的道路間隔之間設置減速標志使各車道的車速及車間距不一致，減小車橋共振概率。還可以通過加裝液體黏滯阻尼器來控制高墩大跨徑連續體系橋梁車橋耦合共振[3]。

4 結束語

公路橋梁的車橋耦合振動問題影響橋梁結構的安全。一方面，高速行駛的車輛會對橋梁的結構狀態和使用壽命產生較大的沖擊影響；另一方面，橋梁的振動反過來影響了車輛的安全平穩行駛狀態。對公路大跨徑連續體系橋梁車橋耦合振動的研究能夠使橋梁結構的設計更加完善和實用化，有關部門可以和高校或者處在技術前沿的企業合作，根據實際情況建設維護公路和橋梁，更好地為社會服務。