車載作用下小跨徑公路簡支梁橋沖擊系數研究

李積慧

摘要：橋梁抗沖擊能力是橋梁的重要應用性能之一，其決定了橋梁的安全性及車輛的平穩性與舒適性。文章為研究不同類型橋梁、不同橋梁振動基頻、不同橋面平整度及不同車速等多因素影響下橋梁的抗沖擊性能，引入沖擊系數，探討了各種因素對橋梁抗沖擊性能的影響，并將研究結果與規范值進行對比。研究結果可為多種類型橋梁的設計及施工要求、規范提供參考依據。

關鍵詞：沖擊系數;橋梁;車-橋耦合作用;沖擊系數;工程設計

0 引言

車-橋耦合作用下橋梁發生的沖擊效應是橋梁工程界研究的重要方向之一。受橋面平整度等多因素的影響，這種沖擊效應能夠增大橋梁的動力響應特征，從而對橋梁的安全性能帶來重大威脅[1-3]。

大量研究表明，橋面平整度、車速、橋梁類型及橋梁基頻等因素是影響車-橋耦合作用下橋梁沖擊效應的重要因素。高慶飛等[4]基于推導與數值模擬，指出不同響應沖擊系數不相同，且彎矩沖擊系數往往小于撓度沖擊系數，并提出了移動車輛荷載作用下橋梁動力性能設計與評價時沖擊系數取值方法的建議。陳水生等[5]基于匝道公路連續曲線箱梁橋模型，在考慮橋梁阻尼比和橋面平整度因素影響條件下，發現沖擊系數在單車工況下最大，且隨著縱向加載車輛數量的增多而顯著減小，這為橋梁設計提供了重要指導作用。朱志輝等[6]基于車-橋耦合振動理論及地基微波雷達現場試驗，分析了在車-橋耦合作用下，鐵路拱橋的吊桿應力沖擊系數變化關系，并得出吊桿應力沖擊系數隨車速的增加而增大的重要結論，為高鐵車速設計提供了重要依據。殷新鋒等[7]基于三維車輛模型和車-橋耦合分析程序，采用ANSYS軟件建立大跨度連續剛構橋梁有限元模型，結合實測橋面數據展開了車輛作用下橋梁的動力響應和沖擊系數的分析研究。

基于現有研究成果[8-11]，本次研究將進一步考慮到車速、橋梁基頻等因素對于橋梁沖擊效應的影響，并通過引入沖擊系數定性分析車-橋耦合作用下不同橋梁類型沖擊效應，為不同類型橋梁的設計、施工提供指導。

1 模型建立

1.1 橋梁模型建立

我國橋梁工程中常見橋梁類型有T型梁橋、箱型梁橋及板梁橋，因此本次研究將分析上述三種橋梁并建立對應橋梁模型。橋梁基本參數如表1所述。

1.2 工況設置與沖擊系數

為研究橋梁基頻、橋面不平整度及車速對于車-橋耦合條件下橋梁的影響，本次研究對象為板梁橋、T梁橋及箱梁橋三種橋梁，并設計了8種不同橋梁基頻（1 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz、8 Hz、12 Hz、18Hz）、5個不同橋面平整度（差、較差、一般、較好、好）及8個不同車速（15 km/h、30 km/h、45 km/h、60 km/h、75 km/h、90 km/h、105 km/h、120 km/h） 對橋梁沖擊性能數值進行模擬研究。通過引入沖擊系數（IM：Impact Factor）對橋梁在不同條件下的抗沖擊性能進行定量分析，沖擊系數IM的計算方法見式（1）：

2 結果分析與討論

2.1 基頻影響

不同類型橋梁的沖擊系數隨基頻變化關系如圖1所示，選取平整度較好的橋面研究結果作為典型案例。由圖1可知，對于不同橋梁其沖擊系數隨橋梁基頻變化趨勢具有一定的差異。對于T型梁橋，其沖擊系數隨橋梁基頻呈現出先增大后減小的基本趨勢;對于箱型梁橋，其沖擊系數隨橋梁基頻呈現出先增大后線性降低的基本趨勢;對于板梁橋，其沖擊系數先降低，后增大，再降低。此外，由圖1可知，當橋梁基頻處于3 Hz和12 Hz左右時其沖擊系數為極大值。分析認為，當橋梁基頻位于3 Hz及12 Hz附近時，其頻率較為接近車輛的第4階俯仰振動頻率（3.05 Hz）及第15階車軸彈跳振動頻率（11.75 Hz），因此車輛與橋梁之間出現了共振效應，導致在3 Hz及12 Hz附近時，各種橋梁的沖擊系數均達到極大值。

2.2 橋面不平整度影響

本次試驗共設計了5組不同平整度的橋面，分別為橋面平整度差、較差、一般、較好及好5個層次，深入展開了橋面不平整度對于橋梁沖擊系數的影響研究。受限于文章篇幅，僅選取橋面平整度差、一般及好作為典型案例，得出不同平整度橋梁沖擊系數隨橋梁基頻變化關系如下頁圖2所示。由圖可知，橋面不平整度對橋梁沖擊系數的影響很大，在橋面平整度差的條件下，T型梁橋沖擊系數在0.34～0.47之間，箱型梁橋的沖擊系數在0.25～0.41之間，板梁橋的沖擊系數在0.30～0.42之間;在橋面平整度一般條件下，T型梁橋沖擊系數在0.08～0.11之間，箱型梁橋的沖擊系數在0.05～0.11之間，板梁橋的沖擊系數在0.05～0.08之間;在橋面平整度好條件下，T型梁橋沖擊系數在0～0.03之間，箱型梁橋的沖擊系數在0.01～0.06之間，板梁橋的沖擊系數在0.04～0.06之間。由此可見，橋面平整度越高，橋梁的沖擊系數越低。在橋面平整度差的條件下，沖擊系數遠高于規范值，不能夠滿足橋梁設計值要求，而在橋面平整度一般及好的條件下，三種類型橋梁的沖擊系數遠低于規范設計值，能夠滿足要求。

2.3 車速影響

大量研究表明，車速是影響車-橋耦合作用下沖擊效應的重要因素，且隨著車速遞增沖擊系數表現出逐漸增大的趨勢。下頁圖3為橋梁沖擊系數（IM）隨車速（v）增加變化關系圖。由圖可知，對于三種不同類型橋梁，隨著車速的不斷增加，其沖擊系數不斷遞增，且均呈現出線性增加趨勢，這與現有研究結果一致。進一步觀察到，對于三種不同類型橋梁，在相同的車速下，板梁橋的沖擊系數明顯低于T型梁橋與箱型梁橋的。T型梁橋沖擊系數高于箱型梁橋，但兩者之間較為接近。

3 結語

基于模型建立與車-橋耦合數值模擬分析，本文展開了橋面平整度、車速、橋梁類型及橋梁基頻四個重要因素對于橋梁沖擊效應的影響，并通過引入沖擊系數進行了定量分析，得出主要結論如下：

（1）不同橋梁其沖擊系數隨橋梁基頻變化趨勢具有一定的差異：T型梁橋沖擊系數呈先增大后減小的趨勢，箱型梁橋沖擊系數隨橋梁基頻呈現出先平穩后線性降低的趨勢，板梁橋沖擊系數先降低，后增大，再降低。

（2）橋面不平整度對橋梁沖擊系數的影響很大，橋面平整度越高，橋梁的沖擊系數越低。

（3）對于三種不同類型橋梁，隨著車速的不斷增加，其沖擊系數不斷遞增，且均呈現出線性增加趨勢;在相同的車速下，板梁橋的沖擊系數明顯低于T型梁橋與箱型梁橋，T型梁橋沖擊系數高于箱型梁橋，但兩者之間較為接近。

上述研究指出了橋面平整度、車速、橋梁類型及橋梁基頻對于橋梁沖擊效應的影響，為橋梁設計提供了一定的指導作用，但對于不同車載重量、橋梁結構強度等因素未進行考慮，因此需要進一步展開更加深入的研究。

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收稿日期：2020-06-10