李枝軍，吳曉超，徐秀麗，李雪紅

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210000)

近年來，大跨橋梁行車振動(dòng)舒適性的問題引起了廣泛的關(guān)注。一方面，汽車制造商不僅重視汽車的操縱穩(wěn)定性，更致力于提高汽車的行駛安全性和乘坐舒適性。另一方面，橋梁設(shè)計(jì)部門也從結(jié)構(gòu)的角度逐漸重視行車舒適度的設(shè)計(jì)。目前行車振動(dòng)舒適性的研究主要以理論分析和數(shù)值模擬為主［1］，基于現(xiàn)場測試的研究較少。

行車振動(dòng)響應(yīng)信號具有非平穩(wěn)性和時(shí)變性，需要使用時(shí)頻分析方法進(jìn)行分析。小波變換是一種在時(shí)間－尺度平面內(nèi)利用多分辨分析思想分析非平穩(wěn)信號的方法，該方法被廣泛應(yīng)用各種非平穩(wěn)信號時(shí)頻域分析［2－3］。

為研究大跨橋梁的行車振動(dòng)和行車舒適性，本文以國內(nèi)5座大跨橋梁為對象進(jìn)行了不同車速下的行車內(nèi)部振動(dòng)測試，并采用基于復(fù)Morlet小波變換的方法對實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究行車內(nèi)部振動(dòng)規(guī)律，分析車輛自身動(dòng)力特性、橋面自身動(dòng)力特性、橋面不平整度以及車速等因素對行車振動(dòng)的影響，結(jié)合國際ISO2631標(biāo)準(zhǔn)對大跨橋梁的行車振動(dòng)舒適性進(jìn)行分析。

1 大跨橋梁行車振動(dòng)現(xiàn)場實(shí)測簡介

選取杭州灣大橋南航道橋和北航道橋、潤揚(yáng)大橋南汊懸索橋和北汊斜拉橋以及蘇通大橋5座大跨橋梁進(jìn)行了行車振動(dòng)測試，5座大跨橋梁的簡況如表1所示。測試時(shí)選用同一輛轎車在同一天內(nèi)完成，測試采用型號為LC0161的三向低頻高靈敏度壓電傳感器，靈敏度為1 000 mV/g，測試位置選在車輛座椅的下方，采樣頻率為200 Hz。測量車速分60 km/h，80 km/h和100 km/h三種工況。

2 車輛內(nèi)部行車振動(dòng)時(shí)頻域分析

為研究行車內(nèi)部振動(dòng)的規(guī)律，采用基于復(fù)Morlet小波變換的時(shí)頻域分析方法對行車內(nèi)部振動(dòng)信號進(jìn)行分析，信號小波變換系數(shù)模的平方反映了信號在時(shí)間－空間尺度平面的能量密度分布，信號的能量主要集中在時(shí)間－空間尺度平面中小波脊線周圍［3］，小波變換的空間尺度反映信號的頻率分布。圖1為經(jīng)過杭州灣大橋時(shí)行車內(nèi)部豎向和橫向振動(dòng)信號的時(shí)程曲線及其小波變換的時(shí)間－空間分布圖。豎向振動(dòng)信號空間尺度變化范圍為1∶1∶1 000，對應(yīng)的頻率范圍為0.7～700 Hz;橫向振動(dòng)信號的空間尺度變化范圍為200∶6∶2 000，對應(yīng)的頻率范圍為 0.1 ～3.5 Hz。

表1 行車振動(dòng)測試橋梁簡況Tab.1 Introductions of the measured bridges for ride vibration

圖1 車內(nèi)振動(dòng)信號的小波變換Fig.1 CWT of the vibration signal

圖2 車內(nèi)振動(dòng)信號的頻譜Fig.2 PSD of the vibration signal

圖2 為經(jīng)過杭州灣大橋時(shí)行車內(nèi)部豎向和橫向振動(dòng)信號的頻譜圖。從圖2(a)中可以看出車輛豎向振動(dòng)的能量主要集中在1～2 Hz之間。從圖2(b)中可以看出車輛橫向振動(dòng)的能量主要集中在1 Hz以內(nèi)。

車輛內(nèi)部振動(dòng)與其自身動(dòng)力特性密切相關(guān)，由于車輛自身動(dòng)力特性的復(fù)雜性，行車內(nèi)部振動(dòng)響應(yīng)較為復(fù)雜。從圖中可以看出:

(1)車輛內(nèi)部的豎向振動(dòng)信號的小波脊隨時(shí)間非線性變化，能量主要集中在車輛自振頻率附近，根據(jù)測試車輛的性能參數(shù)和相關(guān)動(dòng)力特性測試試驗(yàn)可知所用車輛系統(tǒng)的自振頻率在1.4 Hz附近。車輛的自振特性決定了車輛內(nèi)部豎向振動(dòng)能量的頻域分布。

(2)車輛內(nèi)部的橫向振動(dòng)信號的小波脊隨時(shí)間線性變化，能量主要集中分布在0.1～0.5 Hz左右，與橋梁橫向低階自振頻率相同。這說明車輛在橫向與橋面一起振動(dòng)，橋面的振動(dòng)特性決定了車輛橫向的振動(dòng)特性。

3 行車振動(dòng)影響因素分析

3.1 橋面動(dòng)力特性對行車振動(dòng)的影響

為研究大跨橋梁動(dòng)力特性對行車舒適性的影響，利用基于環(huán)境激勵(lì)模態(tài)測試技術(shù)提取了潤揚(yáng)大橋、蘇通大橋以及杭州灣大橋等多座大型橋梁的橋面動(dòng)力特性。表2為杭州灣大橋北叉航道橋動(dòng)力特性前兩階豎向和橫向振型自振頻率的識別結(jié)果和計(jì)算結(jié)果。

表2 杭州灣大橋北叉航道橋動(dòng)力特性的計(jì)算值與實(shí)測值Tab.2 The measured and calculated frequencies of the Hangzhou Bay North Bridge

圖3 杭州灣大橋北航道橋橋面實(shí)測動(dòng)力響應(yīng)的頻譜圖(Hz)Fig.3 The PSD of the girder vibration of the Hangzhou Bay Bridge

圖3 為行車振動(dòng)測試的同時(shí)獲取的杭州灣大橋北汊航道橋的橋面振動(dòng)的頻譜圖，從圖中可以看出:

(1)橋面豎向振動(dòng)的主要振動(dòng)成分在1～5 Hz范圍內(nèi)，橋面的低價(jià)模態(tài)頻率的振動(dòng)幅值較小。車輛荷載產(chǎn)生的激振頻率范圍通常在1～5 Hz范圍內(nèi)，這反映了車橋耦合振動(dòng)對橋面振動(dòng)的影響較大。

(2)橋面橫向振動(dòng)的能量主要集中在兩個(gè)頻段，一個(gè)頻段位于橋面的低階模態(tài)頻率附近，這個(gè)頻段的振動(dòng)主要是由于風(fēng)荷載作用引起的;另一個(gè)頻段位于1～5 Hz附近，主要是由于車橋耦合振動(dòng)引起的振動(dòng)。與豎向振動(dòng)不同，橫向振動(dòng)分布在低頻范圍內(nèi)的能量較大。橋面橫向前兩階模態(tài)頻率對應(yīng)的幅值較大，說明車橋耦合振動(dòng)對橋面?zhèn)认蛘駝?dòng)的影響較小，橋面的側(cè)向振動(dòng)主要是風(fēng)荷載引起的振動(dòng)。

3.2 橋面不平整度對行車振動(dòng)的影響

圖4分別為蘇通大橋和潤揚(yáng)大橋車輛內(nèi)部振動(dòng)信號的時(shí)頻域分布圖。從圖中可以看出:車輛通過蘇通大橋時(shí)豎向振動(dòng)能量較小，最大振動(dòng)幅值約為0.3 g，整個(gè)行車過程中幾乎感覺不到振動(dòng);而車輛經(jīng)過潤揚(yáng)大橋時(shí)，最大幅值約為1.0 g，乘客在整個(gè)行駛過程中均能感受到很大的豎向振動(dòng)能量，且產(chǎn)生了車輛共振的現(xiàn)象，行車舒適性較差。由于通車時(shí)間的不同，根據(jù)現(xiàn)場情況可知潤揚(yáng)大橋的橋面破損情況較為嚴(yán)重，蘇通大橋橋面不平整度較好，因此橋面的不平整度對行車豎向振動(dòng)的影響較大。

圖4 蘇通大橋和潤揚(yáng)大橋車內(nèi)豎向振動(dòng)信號的小波變換Fig.4 CWT of the vertical vibration for the Sutong and Runyang Bridge

3.3 伸縮縫對行車振動(dòng)的影響

圖5 為行車經(jīng)過杭州灣大橋主航道橋兩側(cè)伸縮縫時(shí)的振動(dòng)信號，從圖中可以看出:行車經(jīng)過伸縮縫時(shí)振動(dòng)幅值明顯增大，行車豎向振動(dòng)的最大幅值達(dá)到1.3 g。在整個(gè)行駛過程中行車內(nèi)豎向振動(dòng)幅值最大位置在橋面兩端的伸縮縫處。

圖5 杭州灣大橋南(北)航道橋豎向行車振動(dòng)小波變換Fig.5 CWT of the vertical vibration for the South(north)Hangzhou Bay Bridge

3.4 車速對行車振動(dòng)的影響

為研究車速行車振動(dòng)的影響，測試過程中采用了60 km/h、80 km/h和100 km/h三種行車車速。表3統(tǒng)計(jì)了5座大橋的行車內(nèi)部振動(dòng)在豎向、橫向和縱向的有效值，圖6為豎向行車振動(dòng)的對比圖，圖7為橫向行車振動(dòng)的對比圖。

表3 5座橋梁行車內(nèi)部振動(dòng)的有效值(單位:g)Tab.3 The effective value of ride vibration of the 5 bridges

從表3和圖6中可以看出:隨著車速的增加，行車內(nèi)部的豎向振動(dòng)顯著增加。杭州灣大橋和潤揚(yáng)大橋的振動(dòng)幅值基本相同，由于蘇通大橋通車較晚，橋面不平整度最好，因此其豎向行車振動(dòng)最小。

從表3和圖7可以看出:隨著車速的增加，行車內(nèi)部的橫向振動(dòng)隨之增大。潤揚(yáng)大橋的橫向振動(dòng)值較小，杭州灣大橋的橫向振動(dòng)值較大。由于杭州灣大橋是跨海大橋，風(fēng)荷載對橋面和車輛的橫向振動(dòng)影響較大。在風(fēng)速較大的情況下，行車振動(dòng)隨著車速的增加而急劇增大。

圖6 不同車速下行車內(nèi)部豎向振動(dòng)的有效值Fig.6 The effective value of the ride vertical vibration under different velocities

圖7 不同車速下行車內(nèi)部橫向振動(dòng)的有效值Fig.7 The effective value of the ride lateral vibration under different velocities

4 行車振動(dòng)舒適性分析

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631［7］用加速度均方根值(RMS)給出了1～80 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)人體對振動(dòng)反應(yīng)的三個(gè)界限，如圖8所示。從圖8中可以看出:坐姿時(shí)人體對4～8 Hz上下垂直振動(dòng)最為敏感，實(shí)測四座大橋的豎向行車振動(dòng)的能量主要集中在1.4 Hz左右。雖然5座橋的豎向振動(dòng)加速度值比較大，但是振動(dòng)能量傳遞率低，對人體影響不大。對于橫向振動(dòng)，人體對1～3 Hz的橫向振動(dòng)最為敏感，且比豎向振動(dòng)更易讓人感覺不舒適。現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)顯示5座大橋的橫向振動(dòng)頻帶主要分布在0.1～0.5 Hz左右，橫向振動(dòng)的能量主要集中在低頻段，雖然橫向振動(dòng)的有效值較豎向的低，但由于人體對低頻率橫向振動(dòng)較為敏感，因此橫向振動(dòng)更容易引起人體的不舒適。對于杭州灣跨海大橋，在風(fēng)與波浪的激勵(lì)下更容易引起橋面以及車輛的橫向振動(dòng)。

圖8 ISO 2631中人體對振動(dòng)反應(yīng)的不同界限Fig.8 Evaluation of human exposure to vibration

5 結(jié)論

本文選取了5座大跨橋梁開展了行車振動(dòng)測試與舒適性分析，通過利用小波變換的時(shí)頻域分析方法對行車內(nèi)部振動(dòng)的規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了研究?？梢缘玫揭韵轮饕Y(jié)論:

(1)行車內(nèi)部豎向振動(dòng)和車輛自身動(dòng)力特性密切相關(guān)，其振動(dòng)能量主要集中在車輛自振頻率附近。行車內(nèi)部的橫向振動(dòng)和橋面的動(dòng)力特性關(guān)聯(lián)性較大，能量主要集中在橋梁橫向自振頻率附近，且以低頻振動(dòng)為主。

(2)橋面的不平整度是影響車輛豎向振動(dòng)的主要影響因素。橋面不平整度較差的大跨橋梁，其行車振動(dòng)較大，且容易引起車輛共振現(xiàn)象的發(fā)生。通常情況下，橋面伸縮縫處的行車振動(dòng)最大。

(3)行車內(nèi)部振動(dòng)隨著車速的增加而增大。行車內(nèi)部豎向振動(dòng)幅值和車速大小成比例的增加;行車內(nèi)部橫向振動(dòng)在風(fēng)速較大的橋面隨風(fēng)速的增加而增大，當(dāng)車速超過80 km/h時(shí)，行車內(nèi)部橫向振動(dòng)急劇增加。

(4)從行車舒適性角度分析，5座大橋車內(nèi)豎向振動(dòng)的能量分布與測試車輛動(dòng)力特性參數(shù)相關(guān)，主要集中在1.4 Hz左右，不處于人體敏感的振動(dòng)頻率范圍，對人體振動(dòng)舒適性影響較小;而5座大橋的車內(nèi)橫向振動(dòng)頻帶主要分布在0.1～0.5 Hz左右，處于人體振動(dòng)感覺敏感區(qū)域，橫向振動(dòng)很容易引起人體的不舒適。因此在今后的研究中，橫向振動(dòng)對人體舒適性的影響應(yīng)該引起足夠重視。

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