橋面不平度影響下大跨斜拉橋沖擊系數研究

周記國,王桂花,徐鳳月

(1.白城師范學院 土木工程學院 白城市 137000;2.內蒙古大學 交通學院 呼和浩特市 010000)

0 引言

橋面不平整度會顯著影響車輛行駛時對橋梁的沖擊作用,橋面不平度等級的提高會加大車-橋系統的振動[1]。研究表明車橋系統的耦合振動受車輛的行駛速度與橋面隨機激勵的影響很大,車輛的振動對橋面的隨機激勵更為敏感[2],橋面的不平度較大時會引起遠大于中國現行規范中的沖擊系數設計值,輕質量的車輛產生的沖擊系數比重車產生的沖擊系數略大[3]。關于復雜的大跨度斜拉橋的車-橋系統的耦合振動機理,目前也有較多學者針對不同工程實際情況進行了試驗與分析[4-5]。

車-橋系統的振動特性受到橋梁及車輛結構特性、橋面不平順、車輛行駛狀態等諸多因素影響[6],目前各國橋梁規范中對于橋梁沖擊系數取值的計算仍然存在較大差異,對橋梁的類型及車輛荷載類型標準的規定均存在差別。文章以車輛在大跨度斜拉橋上行駛的過程為研究對象,對車-橋耦合振動進行分析,基于橋面不平度分析車輛在大跨斜拉橋上不同行駛狀況下對橋梁沖擊作用的差異。

1 車-橋系統模型

耦合振動系統以典型的大客車為例進行橋梁的沖擊特性分析,車輛寬度為2.5m、車輛高度為3.6m、車輛長度為10.49m,在車-橋耦合振動分析時將車輛簡化為車體、車軸、輪胎和豎向彈性支撐系統,采用彈簧阻尼系統布置于車體和車輪之間以及車輪與路面接觸點之間,車橋分析模型如圖1所示。

圖1 車-橋分析系統

橋梁采用典型的大跨度斜拉橋為分析對象,該橋跨徑布置為主跨218m,次邊跨跨徑為218m,邊跨為77m。按照車輛振動輸入路面平度表示方法,車輛行駛的各種路面功率譜密度的統計特性采用垂直位移單邊功率譜密度Gd(n)描述,規范中按功率譜密度把路面共分為八個等級,研究橋面粗糙度分別為A、B級時對車橋耦合振動的影響,其中不平度等級為A、B級時路面粗糙度系數的幾何平均值分別為16和64。

2 車-橋系統分析

進行車-橋耦合振動分析,研究車輛對橋梁的沖擊作用時,對車-橋耦合系統的數值模擬研究假定車輛沿線路作等速運動,車輛車輪始終與橋面保持接觸。對橋梁沖擊系數的計算采用車橋耦合振動過程中的橋梁動撓度時程曲線來計算沖擊系數,計算公式見式(1)、式(2):

(1)

(2)

式中:Ymax為車輛荷載在橋上行駛時橋梁結構的跨中截面位置的最大動撓度值,Ymin為與Ymax相應的最小動撓度值,Ymean為Ymax與Ymin的平均值。

3 汽車沖擊系數分析

3.1 行車速度影響

假設一輛客車在橋梁上分別以80km/h、100km/h、120km/h的速度勻速行駛,分別研究橋面不平度為A級與B級時橋梁的沖擊效應的變化規律。當橋面不平度為A級和B級時橋面主跨跨中及次邊跨跨中的豎向位移振動規律如圖2、圖3所示,不同橋面不平度的橋梁主跨跨中的沖擊系數、橋梁次邊跨跨中的沖擊系數變化如表1所示。

表1 主跨跨中與次邊跨跨中沖擊系數

圖2 主跨跨中豎向振動位移

圖3 次邊跨跨中豎向振動位移

橋梁主跨跨中及次邊跨跨中位置處的橋面豎向位移振動總體隨著橋面不平度等級的提高及車輛行駛速度的增大而增大,同一橋面不平度下不同車速的橋梁主跨跨中、次邊跨跨中最大豎向振動位移相差19.5%、28.3%,同一車速下A級橋面不平度與B級橋面不平度下主跨跨中、次邊跨跨中最大豎向振動位移相差為20.6%、24.3%。車輛分別行駛到各跨跨中位置處時橋面的豎向振動最大,橋梁各跨的沖擊系數均以橋面豎向振動最劇烈的位移值為基礎進行計算。

隨著橋面不平度等級的提高及車輛行駛速度的增加,橋梁的沖擊系數逐漸增大,且各跨的沖擊系數均大于0.05。相比車輛以80km/h行駛,當車輛以120km/h速度行駛時,A級橋面不平度下主跨及次邊跨的沖擊系數最大增大2%、0.3%,B級橋面不平度下主跨及次邊跨沖擊系數增大了5.3%、2.6%,由此說明當車輛以不同速度在橋上勻速行駛時,可以取用車速較大時的沖擊系數進行車-橋耦合振動計算。在80～120km/h車速范圍內,當橋面不平度由A級提高到B級時,同一車速下主跨的沖擊系數最大增大了10.5%、次邊跨的沖擊系數增大了15%,說明橋面的不平度對橋梁的沖擊效應有非常明顯的影響,同時可以得出橋面不度等級的提高加大了行車速度對橋面沖擊作用的影響。

3.2 橫向行車狀況影響

車輛在橋上行駛時,按車輛的橫向位置可以分為上行車道與下行車道,為研究橫向不同車道行駛狀況下車輛對橋梁沖擊效應的差異,共采取3種工況進行研究。工況1:單車輛行駛;工況2:兩輛車同向前行駛;工況3:兩輛車并行上行、兩輛車并行下行,在橋梁主跨的跨中位置相遇。車輛在橋面不平度A級與B級的橋面上以120km/h速度行駛時,橋梁主跨跨中及橋梁次邊跨跨中的豎向位移振動規律如圖4、圖5所示,不同橋面不平度下橋梁主跨跨中及橋梁次邊跨跨中的沖擊系數如表2所示。

表2 主跨跨中與次邊跨跨中沖擊系數

圖4 主跨跨中豎向振動位移

圖5 次邊跨跨中豎向振動位移

車輛在橋上行駛時由于橋面不平度的激勵,使橫向不同車道行駛的車輛對橋梁產生了更劇烈的振動,同一車速下橋面不平度由A級提高到B級時,主跨跨中、次邊跨跨中的最大豎向振動位移分別最大增加了15%、24.2%。同一橋面不平度下,對于橋梁的主跨跨中截面而言,3種工況下橋梁承受的車輛數量分別為1輛車、2輛車、4輛車,對應的橋梁主跨跨中的豎向最大振動位移也近似成倍數關系。同一橋面不平度下,次邊跨跨中的豎向最大振動位移工況2近似為工況1的2倍,工況3中第一個位移峰值主要由2輛上行車輛作用產生,第二個位移振動峰值則主要由2輛下行車輛行駛作用產生,工況3的最大豎向位移與工況2基本相同。

同一車速下,橋面不平度等級由A級提高到B級時,橋梁的主跨沖擊系數最大增加了9.6%,橋梁次邊跨沖擊系數最大差值增加了15%。同一橋面不平度三種行車工況下橋梁各跨的沖擊系數變化不大,橋梁主跨跨中沖擊系數最大相差1.2%,次邊跨跨中沖擊系數最大相差3%。相比A級橋面不平度,B級橋面不平度下橋梁沖擊系數的變化更大,但同一橋面不平度下車輛橫向并行或交會對橋梁的沖擊系數影響不大,對比3種工況可以看出橋梁的沖擊系數可以近似取為單車行駛時的沖擊系數。

3.3 縱向行車間距影響

超車會使車輛的前后距離減小,為了研究車輛行駛時縱向間距變化對橋梁沖擊效應的影響,分別對2輛車輛在橋上并排、前后縱向間距為50m、前后間距為100m同向行車狀況進行研究,分析在橋面不平度等級分別為A級和B級時,車輛以120km/h速度勻速行駛下對橋梁的沖擊效應。橋面不平度影響下,橋梁主跨和次邊跨的跨中豎向位移振動規律如圖6、圖7所示,不同橋面不平度下,橋梁主跨和次邊跨的跨中沖擊系數變化如表3所示。

圖6 主跨跨中豎向振動位移

圖7 次邊跨跨中豎向振動位移

當橋上2輛車同向并排行駛時,橋梁各跨跨中截面振動位移只出現一個峰值且豎向振動的數值較大,隨著兩輛車的縱向間距增大,橋梁的豎向振動位移會逐漸減小。當車輛的前后間距為100m時,跨中截面的豎向振動明顯出現了兩個峰值,但豎向最大振動位移相比兩車并排行駛時明顯減小,A級路面平整度下主跨跨中與次邊跨跨中豎向振動位移最大減小了32.2%、52%,B級路面平整度下主跨跨中與次邊跨跨中豎向振動位移最大減小了34.2%、46.9%。由此說明車輛的縱向間距增大,車輛對橋梁豎向荷載集度減小,使得橋梁豎向振動的最大位移減小。橋面不平度由A級提高到B級時,同一縱向間距下主跨與次邊跨的橋面豎向最大振動位移分別增大了15%、20.2%,由此說明橋面不平度對橋面豎向振動位移的沖擊作用有著重要的影響。

當兩輛車輛在橋上行駛時,隨著車輛的縱向間距增大,橋梁主跨的沖擊系數略有增大,A級橋面不平度下主跨跨中的沖擊系數增大了1.7%,B級橋面不平度下橋梁主跨跨中的沖擊系數增大了9.1%。對于次邊跨沖擊系數而言,不同縱向間距的沖擊系數有一定差異,其中A級橋面不平度最大相差7%,B級級橋面不平度最大相差8.5%。同一行車縱向間距下橋面不平度由A級提高到B級時,橋梁主跨的沖擊系數最大增加了15.6%,次邊跨沖擊系數最大增加13.4%。綜合主梁跨中與次邊跨跨中的沖擊系數變化可以得出,橋面不平度等級的提高不僅會使橋梁各跨的沖擊系數增大,并且也加大了車輛縱向間距對橋梁沖擊系數的影響。

4 結論

(1)車輛在大跨斜拉橋上勻速高速行駛時,隨著車輛行駛速度增大,橋梁的豎向振動位移及橋梁各跨的沖擊系數會有所增大。

(2)車輛在橋上并行或交會時,橋梁的豎向振動位移會增大,但橋梁的沖擊系數變化不大,橋上車輛行駛的縱向間距增加,橋梁的振動位移會減小,但橋梁沖擊系數會略有增大。

(3)隨著橋面不平度等級的提高,橋梁的豎向振動位移及各跨的沖擊系數均有明顯的增大,并且橋面不平度等級的提高也會加劇車速、橫向行車狀況及車輛縱向間距對橋梁沖擊系數的影響。