考慮車橋耦合振動的鋼梁橋腹板間隙的疲勞研究

朱詩勇，楊 芬

(湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

0 引 言

鋼梁橋是一種能夠有較大的承重的而且比較輕型的結構。對于鋼梁橋腹板間隙的疲勞問題分析時,應力作用是基于車橋耦合作用產生的應力和動力沖擊系數確定的,根據大量的研究表明,規范中所要求的沖擊系數要比在實際工程中產生的沖擊系數要小,因此多數橋梁都在未達到設計使用年限就會出現各種疲勞病害,基于現階段車橋耦合問題建立車橋耦合作用模型,對橋梁腹板間隙受應力沖擊系數的影響進行分析研究。

1 鋼腹板橋梁的特點

鋼腹板橋結構與傳統的混凝土腹板相比,優點主要有以下幾方面特點[1]:

(1)鋼腹板橋結構自重較小,柔性較好,抗震性能好。對于普通鋼筋混凝土橋腹板重量通常占梁重的一半左右,有部分鋼腹板橋梁采用波紋鋼腹板來代替混凝土結構。采用鋼腹板橋梁能夠充分發揮其在橋梁中的作用,不僅增加了鋼腹板橋抗震要求,而且還減輕了橋梁的結構自重。鋼橋梁腹板間隙的應力集中長度、應力水平、作用力的分布狀況都是主要影響橋梁。

(2)鋼橋梁在荷載沖擊作用和環境腐蝕作用下,橋面的平整度會隨時間的延長受到影響,在行車過程中這種不平整度會增加橋梁的激振,車橋的耦合作用影響也會增加,因此就會加速橋梁的疲勞損傷,與混凝土橋梁相比這種耦合作用對鋼橋梁影響更大。

2 鋼腹板橋車橋耦合分析

2.1 鋼橋梁車橋耦合模型的建立

在車倆行駛到不平整路段時采用車輛的彈簧懸掛系統來保證車輛行駛的舒適性,這種上下自由振動系統會增加車輛與橋梁的耦合作用,在車輛動力系統研究分析時,常會將這種振動形式分解成若干種振動模型進行分析。現介紹幾種常見的振動形式:車輛按照行駛方向做鉛錘運動稱為沉浮振動,車輛每一點運動都是相同的;沿車輛軸線方向做橫向振動稱為橫向振動,每個時刻,車體各點的橫向位移一致;沿車輛軸線方向做縱向振動稱為伸縮振動,每個時刻,車體各點的縱向位移一致;還有三種振動方式車體繞軸作幅角為±ψ的回旋轉動稱搖頭振動;車體繞軸作幅角為±φ的回旋轉動稱點頭振動;車體作幅角為±θ的回旋轉動稱側滾振動[2];如圖1所示:

圖1 車體繞軸作幅角自由度示意圖

將車橋耦合振動模型做簡化分析,假設車輛主要振動類型有豎向振動、點頭振動,車輛在振動過程中不發生變形等自身變化,車身為一個剛性體,車輛輪胎相對于橋梁來說是彈性體,有著彈性阻尼性質,輪胎彈性阻尼對橋梁具有粘滯的性質,這種粘滯性使得車橋在振動過程中產生耦合振動,這種耦合加大了對橋梁的破壞作用,因此對于橋梁來說車橋耦合振動會加速橋梁的疲勞損壞。

2.2 車橋耦合的數值分析

利用車輛振動方程組求得車橋耦合振動的位移-時間曲線,速度-時間曲線產生等數值時程序列方程曲線,根據實際曲線變化關系及接觸點隨時間變化的接觸力和位移變化趨勢,然后按照常用結構分析軟件建立模型,結構分析軟件ANSYS建立車橋耦合振動的有限元模型,并運用瞬態動力學分析實現數值求解[3]。

車橋耦合振動的鋼橋腹板間隙疲勞數值分析的具體方法和步驟如下:

(1)車橋耦合模型最常用Matlab數據處理的數學計算工具,然后并通過Wilson-e數值法求解和分析車橋振動方程,然后根據計算結果繪制車橋振動的位移一時間曲線和速度一時間曲線進行對比分析,觀察曲線的變化規律;

(2)根據相關計算數據建立結構有限元的振型和頻率,并通過工程實例驗證并調整,使建立的模型盡可能接近實際工程;

(3)按照設計橋梁選用的基準頻率、所劃分的單元區域數,然后結合車輛的速度等相關影響因素,按照時間的步長選取積分步長為:

(4)根據車橋耦合振動作用,車橋力的協同性及接觸點振動作用產生的位移,選用數據分析軟件ANSYS建立有限元的車橋耦合振動模型,根據橋梁和車輛共同作用的動態力學原理,模擬車橋耦合振動的鋼梁橋腹板間隙疲勞損壞模型,通過模型模擬能夠反映橋梁的耦合破壞形式及某一時刻的破壞狀態。以下是車橋耦合模型計算方法流程圖如圖2所示。

圖2 車橋耦合振動數值分析流程

2.3 鋼橋梁的自振分析

根據鋼梁橋的振動理論,簡支梁橋截面的自振頻率采用下式進行計算。

鋼橋梁的腹板屬于柔性變形體,在車橋耦合振動作用下振動具有折疊效應,在橋梁軸向受力影響和所能承受的彎曲剛度基本上可以忽略不計。簡化鋼腹板組合截面剛度時,只考慮橋梁上下翼緣對橋梁的影響,即EA=EcAc,EI=EcIc。

按照梁體的最初等值振動理論,分析時橋梁截面假定為均等截面的簡支梁,按照假設最終計算結果和橋梁實際的受力狀態一定會有區別,按照初等理論進行橋梁計算分析,其中該算法主要未考慮剪力的影響。

3 工程計算分析

3.1 橋梁阻尼動力影響

本次以某鋼腹板箱梁橋為研究對象,橋梁自振動力進行測試,橋梁在車輛移動荷載作用下,會產生沖擊、振動等動力效應。鋼腹板箱梁橋在靜態與動態應力共同作用下,會產生阻尼作用,這兩種阻尼效應對于橋梁的動力響應沒有明顯區別。計算中選取臨界阻尼形式,根據不同阻尼情況下對橋梁動力的影響,橋梁阻尼比選取,須參照相關的規范要求和橋梁實際的動力自振頻率測試結果,在車橋耦合振動的作用下對鋼橋梁腹板進行計算,通過橋梁模型分析計算發現高階阻尼對橋梁阻尼影響小,因此可以不對高階阻尼進行分析[4]。

3.2 樁基車橋耦合振動阻尼分析

通過以上我國和歐洲規范的建議阻尼比取值,本文選擇阻尼比ξ=0.03,應用于下面兩種阻尼Cb形式中,進行車橋耦合的對比分析。

恒定阻尼:橋梁在振動作用力下不再受外界條件的激勵,因受到阻力造成能量損失而產生位移,在振動過程中受到阻力影響峰值逐漸減弱的振動稱為阻尼振動。系統的狀態由阻尼率ζ來劃分。不同系統中ζ的計算式不同,但意義一樣。把ζ=的情況稱為無阻尼,即周期運動。把<ζ<1的情況稱為欠阻尼,把ζ>1的情況稱為過阻尼,把ζ=1的情況稱為臨界阻尼,車橋耦合振動的阻尼大小不同使橋梁系統呈現非周期的振動規律。這種振動與過阻尼、欠阻尼相比較,在阻尼率ζ=0的情況下,振動系統從運動狀態趨近平衡所需的時間最短。Cb=2ξωi,其中ωi為橋梁各振動的圓頻率。

圖3 瑞麗阻尼和恒定阻尼在180 km/h時跨中節點撓度阻尼

通過上述兩種阻尼效應組合進行對比,對鋼橋梁腹板影響主要受低階頻率影響較大,高階頻率在車橋耦合作用下對橋梁影響較小。

4 結 語

本文研究鋼橋梁車橋耦合振動作用下對腹板間隙疲勞的影響,主要總結為以下幾點:

(1)鋼腹板橋梁具有結構自重較小、橋梁柔性較好、結構的抗震性能好,能夠滿足現階段對橋梁跨徑要求較大,承載力要求較高的大跨徑橋梁。缺點是鋼結構易被腐蝕、抗彎抗剪性能不如混凝土結構大。

(2)通過對車橋耦合振動模型進行受力分析,介紹了幾種振動受力模型,根據車輛的不同受力方向及特點分成5種振動類型。通過車橋耦合振動計算方法及流程分析和鋼橋梁的自振分析,簡單的介紹了分析過程理論方法。