杜祝遙

摘 要：本文利用有限元軟件Midas/Civil建立模型，模擬車輛荷載在拱橋上運(yùn)行，運(yùn)算出拱橋上人行道節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)荷載下的振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果表明橫撐數(shù)量對(duì)拱橋上行人舒適度有一定影響，并得出相應(yīng)變化的規(guī)律性，為拱橋的設(shè)計(jì)和舒適性研究提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)感覺指標(biāo)；舒適性；橫撐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.197

隨著橋梁數(shù)量的增多，行車及行人舒適性研究也受到廣泛關(guān)注。根據(jù)舒適性的相關(guān)研究，車輛荷載通過橋梁以一定速度運(yùn)行時(shí)，與橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用從而引起橋梁的震動(dòng)，影響橋梁正常運(yùn)營時(shí)車上人員與橋上行人的舒適性。因此，對(duì)拱橋在移動(dòng)車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)非常有必要。車輛移動(dòng)引起的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)對(duì)橋上行人的心理、生理產(chǎn)生影響，對(duì)橋上行人的舒適性造成一定影響。本文通過有限元模擬，分析拱橋上車輛運(yùn)行時(shí)橫撐數(shù)量不同產(chǎn)生的振動(dòng)特性，分析影響因素規(guī)律性變化，得出結(jié)論對(duì)拱橋舒適性的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

1 有限元模型建立與分析

本文建立如下模型：橋面全寬為21.5m，主跨為300m，矢高55m的下承式鋼管混凝土拱橋。桁架結(jié)構(gòu)由圓形鋼腹桿和鋼管混凝土主拱組成。采用有限元軟件Midas Civil建立了該橋梁的有限元空間模型。鋼管混凝土主拱肋用梁?jiǎn)卧獊磉M(jìn)行模擬，將鋼管混凝土截面中混凝土換算成鋼材，鋼管直徑0.9m，厚度0.01m，材料使用Q235鋼材，內(nèi)部填充C50混凝土。拱肋腹桿為圓形鋼管直徑為0.35m，厚度為0.01m。吊桿為實(shí)腹圓形截面直徑為0.05m。邊界條件：固定主拱肋的兩。主梁兩端與主跨鉸接，主梁與橫系梁之間剛性連接。

利用子空間迭代法就該建立的有限元模型進(jìn)行三維振動(dòng)特性分析，得到下表結(jié)論。

2 橫撐數(shù)量對(duì)橋梁舒適度的影響

采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）中規(guī)定的車輛荷載進(jìn)行建模，從規(guī)范中選取三軸車輛模型，車輛總重550 KN（前30KN，中240KN，后280KN），車輛的運(yùn)行速度為60 km/h。模擬計(jì)算時(shí)，每2.5m的間隔作為一個(gè)荷載位置結(jié)點(diǎn)，根據(jù)上文求的t1=0.15s，t2=0.3s。根據(jù)自振周期將計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)成0.01秒，通過該橋梁的總時(shí)間為18秒。在設(shè)計(jì)時(shí)速下跨中截面最大豎向速度在車輛荷載通過跨中位置時(shí)，即在10.54s時(shí)發(fā)生最大豎向速度為0.0134m/s；車輛各節(jié)點(diǎn)豎向速度最大值計(jì)入表，其中的負(fù)值為向下方向的速度。

拱橋原設(shè)計(jì)橫撐數(shù)量為5個(gè)“一”字型橫撐對(duì)稱分布，為研究橫撐數(shù)量變化對(duì)移動(dòng)車輛荷載作用下的鋼管混凝土拱橋上行人舒適性的影響，本節(jié)通過改變橫撐數(shù)量而保持其余條件不變的不同工況對(duì)舒適性進(jìn)行研究。共分為四種工況，橫撐數(shù)量分別為1、3、5、7，其中橫撐對(duì)稱分布，距離跨中橫撐水平距離分別為±40m，±70m，±100m。根據(jù)這四種工況模擬車輛在拱橋上運(yùn)行時(shí)計(jì)算的結(jié)果對(duì)比分析，以設(shè)計(jì)時(shí)速的車輛荷載在拱橋上運(yùn)行進(jìn)行時(shí)程分析運(yùn)算，提取出需要結(jié)果。

各節(jié)點(diǎn)豎向速度最大值是隨著橫撐數(shù)量的增加而變小的，即說明橫撐數(shù)量變多使各節(jié)點(diǎn)的豎向速度最大值變小，根據(jù)變化趨勢(shì)來看，從工況一變化到工況四速度減小趨勢(shì)變小，然后根據(jù)日本學(xué)者小掘?yàn)樾厶岢龅恼駝?dòng)感覺指標(biāo)的理論計(jì)算公式，計(jì)算VG值。取各工況下最大VG值進(jìn)行評(píng)定橋上行人舒適性，舒適性等級(jí)評(píng)定結(jié)果。

得出結(jié)論，可以明顯看出各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)大小VG值是隨著橫撐數(shù)量的增加而減小的，即拱橋上行人舒適性隨橫撐數(shù)量增多而不斷提高。VG值由工況一的1.45到工況四的0.78并不是同一斜率下降的，也就是說當(dāng)橫撐數(shù)量增加到一定程度后對(duì)VG值的影響變小。工況三5個(gè)橫撐（原設(shè)計(jì)）是滿足舒適性要求的，當(dāng)橫撐數(shù)量增加到工況四7個(gè)橫撐時(shí)振動(dòng)感覺指標(biāo)減小10%，在一定程度上提高了拱橋上行人舒適性。而且振動(dòng)感覺指標(biāo)VG值從工況一變化到工況四變化率是降低的，即當(dāng)橫撐數(shù)目增加到一定程度后對(duì)舒適性的影響會(huì)減小，即有一個(gè)最合適橫撐數(shù)目。

3 結(jié)論

舒適度影響已經(jīng)成為拱橋在設(shè)計(jì)時(shí)除穩(wěn)定性和強(qiáng)度以外的新的設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)。本文通過有限元分析，模擬出了在相同速度同重量的移動(dòng)車輛荷載下不同的橫撐數(shù)量對(duì)鋼管混凝土拱橋產(chǎn)生的量化的舒適度的影響，進(jìn)而對(duì)橋梁不同橫撐數(shù)量進(jìn)行舒適度的量化與評(píng)價(jià)。得到以下結(jié)論：橫撐數(shù)量對(duì)橋上行人的舒適性是有影響的。橫撐數(shù)量變多時(shí)，拱橋上行人舒適性是隨之提高的，即通過增加橫撐數(shù)量可以提高拱橋上行人的舒適性。但當(dāng)橫撐數(shù)目增加到一定程度后對(duì)舒適性的影響會(huì)減小，即有一個(gè)最合適橫撐數(shù)目。

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