彭偉康高慶飛徐昭若王統(tǒng)于曉梅

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150001;2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部,遼寧 大連 116024;3.東北林業(yè)大學(xué) 圖書館,哈爾濱 150040)

0 引言

車橋耦合振動(dòng)(Vehicle-bridge Coupling Vibration)即為當(dāng)車輛在橋梁上前進(jìn)時(shí),車輛由于車身與橋梁表面的接觸和橋面的不平整度引起車身的振動(dòng),而橋梁又由于車輛的振動(dòng)而引起橋體的振動(dòng),車輛與橋梁之間相互作用、相互影響,產(chǎn)生的車輛與橋梁之間的共同振動(dòng)。

自19世紀(jì)初,英國第一條鐵路橋梁修成以后,工程師們便開始發(fā)現(xiàn)車橋耦合振動(dòng)方面的問題,并開始進(jìn)行研究[1]。其早期的研究方法有試驗(yàn)研究法和古典解析法,自20世紀(jì)中期,隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明,有限元技術(shù)的提出,數(shù)值模擬法也得到應(yīng)用。數(shù)值模擬法的應(yīng)用和發(fā)展,使得鐵路橋梁的車橋耦合振動(dòng)建立的模型更加貼近現(xiàn)實(shí),振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算也更加接近實(shí)測。早期的車橋耦合振動(dòng)研究幾乎都是應(yīng)用于鐵路橋梁的,而隨著近現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和車輛的普遍使用,公路橋梁的車橋耦合振動(dòng)問題也得到了越來越多的研究[2-4]。對(duì)于汽車-公路橋梁耦合振動(dòng)的研究,最早可追溯到從19世紀(jì)末開始的試驗(yàn)研究法,相繼有法國工程師、英國土木工程師協(xié)會(huì)和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了橋上動(dòng)力荷載試驗(yàn),并收集了大量汽車行車實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5];20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)也有吳啟宏[6]、項(xiàng)貽強(qiáng)等[7]進(jìn)行橋梁動(dòng)力分析的試驗(yàn)研究,并獲得動(dòng)力系數(shù)、橋梁自振特性等結(jié)論。同時(shí),為更好地認(rèn)識(shí)車輛和橋梁之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,學(xué)者們的理論計(jì)算方法也投入使用,早期采用的計(jì)算方法有將車輛荷載簡化為常量力、簡諧力和滾動(dòng)質(zhì)量塊等的解析計(jì)算法,通過多種解析計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知,車輛質(zhì)量較大時(shí)車輛慣性力對(duì)于橋梁振動(dòng)的響應(yīng)有較大的影響[8]。公路橋梁的數(shù)值模擬法大約在20世紀(jì)70年代開始研究,國外及國內(nèi)的學(xué)者均從車輛模型、橋梁模型和動(dòng)力學(xué)方程求解3個(gè)方面進(jìn)行不斷的深入探索。對(duì)于車輛模型的建立,學(xué)者們最初使用的有四分之一車輛模型或二分之一車輛模型,近年來,為追求更高的模擬精度,國內(nèi)外眾多學(xué)者均建立了三維多自由度的車輛模型,如王鐵龍等[9]、Obrien等[10]分別建立了三軸或五軸的卡車模型來進(jìn)行車輛荷載的模擬;隨著有限元軟件的不斷進(jìn)步,橋梁模型的建立也在朝著完善的方向發(fā)展,從早期的桿系模型,空間梁格模型[9],到相對(duì)更加準(zhǔn)確的實(shí)體模型,雖然實(shí)體單元模型能給中小跨徑橋梁帶來更高的精度,但也明顯提高了較大跨徑橋梁的計(jì)算規(guī)模,帶來一定的計(jì)算壓力,故多尺度模型[11]也可為大跨徑橋梁帶來一個(gè)重要的發(fā)展方向;依據(jù)橋梁與車輛的有限元模型,建立車橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程后,學(xué)者們求解動(dòng)力學(xué)方程的方法可分為直接積分法和模態(tài)綜合法,直接積分法可以將車輛動(dòng)力學(xué)方程和橋梁動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行分組迭代求解[12],也可以將車輛動(dòng)力學(xué)方程和橋梁動(dòng)力學(xué)方程合并整體求解[13],模態(tài)綜合法則將動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行振型疊加,簡化自由度數(shù)目過大的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解[9]?；谄?公路橋梁耦合振動(dòng)的理論方法研究,動(dòng)力放大系數(shù)可以較好地表征移動(dòng)車輛對(duì)橋梁的沖擊效應(yīng),同時(shí)也是各國橋梁規(guī)范中一個(gè)重要參數(shù)-沖擊系數(shù)的計(jì)算方法。如今各國規(guī)范中所采用的沖擊系數(shù)計(jì)算方法仍然存在較大的差異[14],眾多學(xué)者的近期研究也認(rèn)識(shí)到橋梁的沖擊系數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)類型、車速和車重等多種因素有關(guān),各國規(guī)范所描述的沖擊系數(shù)表示方法仍有一定偏差,需繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化[15]。

本文主要闡述車橋耦合振動(dòng)的基本理論與分析研究方法,并利用ANSYS軟件對(duì)跨徑為30 m×5 m的五跨連續(xù)梁橋進(jìn)行車輛過橋的數(shù)值模擬,分別計(jì)算出橋梁在汽車靜力荷載和動(dòng)力荷載作用下的靜力響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng),分析動(dòng)力響應(yīng)與靜力響應(yīng)比值(動(dòng)力放大系數(shù))的變化規(guī)律。對(duì)于橋梁的荷載響應(yīng)而言,橋梁各個(gè)位置處的撓度、應(yīng)力等均可作為其荷載響應(yīng),且每對(duì)動(dòng)力響應(yīng)與靜力響應(yīng)的比值也均可作為其動(dòng)力放大系數(shù),故本文也將從撓度、應(yīng)力2個(gè)方面去分析標(biāo)準(zhǔn)橋梁的動(dòng)力放大系數(shù)。

1 車橋耦合振動(dòng)分析方法

車輛駛?cè)霕蛄阂院?運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)雜,影響車橋耦合振動(dòng)的因素很多,如車輛橋頭跳車、行駛的變速(包括剎車)和路面的粗糙度等[16-18]。車橋耦合振動(dòng)的分析方法有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)的試驗(yàn)研究法、解析計(jì)算和數(shù)值模擬的計(jì)算研究法?，F(xiàn)場試驗(yàn)研究實(shí)測所得的橋梁動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)顯然是最真實(shí)可靠的,眾多學(xué)者[19-20]均進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究,然而僅靠現(xiàn)場試驗(yàn)研究來找到各種不同類型、不同尺寸橋梁在不同車輛行駛作用下的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律和其內(nèi)運(yùn)行機(jī)理,顯然是不經(jīng)濟(jì)不現(xiàn)實(shí)的。相對(duì)于現(xiàn)場試驗(yàn)而言,室內(nèi)試驗(yàn)可以較好控制車輛和橋梁的各項(xiàng)參數(shù),能更好降低試驗(yàn)成本,反映車橋?qū)嶋H規(guī)律。解析計(jì)算即利用簡單的簡支梁、固端梁或者連續(xù)梁模擬橋梁,簡單的常量力、簡諧力、滾動(dòng)質(zhì)量塊或者移動(dòng)彈簧-質(zhì)量塊來模擬行駛車輛,建立簡化模型進(jìn)行理論推導(dǎo),探尋車輛過橋動(dòng)力響應(yīng)基本規(guī)律。顯然解析計(jì)算所得的簡化計(jì)算結(jié)果與實(shí)際尚存在較大出入,但其為數(shù)值分析計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬分析計(jì)算即通過計(jì)算機(jī)來建立不同的橋梁與車輛的有限元模型,并通過對(duì)模型和模型之間的相互作用的數(shù)學(xué)表達(dá)來建立相關(guān)的動(dòng)力學(xué)耦合方程,最后使用合適的微分方程解法完成動(dòng)力學(xué)方程的求解,計(jì)算獲得車橋動(dòng)力響應(yīng)特征。

1.1 數(shù)值模擬法

近些年對(duì)于車橋耦合問題,所采取的主要方法即為數(shù)值模擬法。進(jìn)行數(shù)值模擬法,一般以剛體動(dòng)力學(xué)方法建立車輛模型,以有限元方法建立橋梁模型,將車輛模型與橋梁模型分別作為2個(gè)子系統(tǒng),再通過車輪與橋梁表面之間的位移協(xié)調(diào)、相互作用力大小相等的關(guān)系,使2個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)力方程相聯(lián)系,采用迭代法求解系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果。其中車輛動(dòng)力學(xué)模型由車體、車輪、彈簧和阻尼器組成,車輪與車體、車輪與橋面均由彈簧和阻尼器連接,車輛模型的自由度主要由車輪個(gè)數(shù)和車體個(gè)數(shù)來決定[21]。橋梁通過有限元模型進(jìn)行模擬,有限無模型常用的單元類型有桿系單元、板殼單元和實(shí)體單元等,單元的選擇應(yīng)根據(jù)橋梁形狀特征、受力特點(diǎn)和精度要求等因素綜合考慮。各類不同的橋梁和不同的要求下,會(huì)有不同的橋梁建模類型,如:單梁或多梁的桿系模型、用等效梁格模擬上部結(jié)構(gòu)的梁格模型、實(shí)體單元的精細(xì)化模型和局部小尺寸精細(xì)單元模擬的多尺度模型等[22-23]。

1.2 車橋耦合振動(dòng)方程建立

進(jìn)行數(shù)值模擬法的基本步驟為先建立車輛動(dòng)力學(xué)模型,并建立車輛振動(dòng)方程。車輛模型可擁有不同個(gè)數(shù)的車體,不同個(gè)數(shù)的輪軸,一般單個(gè)車體取浮沉、橫移、點(diǎn)頭和側(cè)滾4個(gè)自由度,每個(gè)車輪取升降和橫移2個(gè)自由度,通過拉格朗日方程即可推導(dǎo)出車輛運(yùn)動(dòng)方程

式中:Mv、Cv、Kv分別為車輛的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;分別為車輛各個(gè)單元的位移向量、速度向量和加速度向量;Fv為橋梁與車輛接觸點(diǎn)處對(duì)車輛的作用力向量。

繼而建立合適的橋梁模型,并建立橋梁振動(dòng)方程

式中:Mb、Kb分別為橋梁總體的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣,一般采用有限元方法建立,Cb為總體阻尼矩陣,一般通過質(zhì)量矩陣和剛度矩陣計(jì)算獲得;分別為橋梁各個(gè)單元的位移向量、速度向量和加速度向量;Fb為車輛作用在橋梁上的作用力向量。

然后將橋梁運(yùn)動(dòng)方程各模態(tài)坐標(biāo)下動(dòng)力響應(yīng)疊加分析,化簡橋梁的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣,簡化計(jì)算,得到模態(tài)綜合分析下的橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程

式中:MB、CB、KB分別為橋梁的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣通過動(dòng)力學(xué)方程的模態(tài)變換而得到的模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼、模態(tài)剛度矩陣;qB、FB則分別為橋梁有限元模型的廣義位移向量和廣義力向量。

聯(lián)立車輛和橋梁振動(dòng)方程,并考慮位移協(xié)調(diào)條件和相互作用力相等條件,便可得到如下車橋耦合振動(dòng)方程

即為求解車橋耦合振動(dòng)方程,其常使用的動(dòng)力學(xué)方程求解方法為Newmark-β法。

2 有限元模型建立

本文選用《中國公路橋涵通用圖》中常用的,具有代表性的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋作為動(dòng)力放大系數(shù)分析模型,橋梁為五跨連續(xù)梁橋,單跨跨徑為30 m,廣泛用于雙向四車道,橋梁的橫截面如圖1所示。

連續(xù)梁橋利用ANSYS軟件建立有限元模型,采用BEAM188單元建立橋梁的梁體,中間一處橋墩的位置設(shè)置縱向、豎向和橫向3個(gè)方向的約束,其余橋墩或橋臺(tái)位置處設(shè)置縱向和豎向2個(gè)方向的約束。同時(shí)為讓有限元模型更貼近實(shí)際,本文采用梁格模型對(duì)5片T形梁之間的橫向連接進(jìn)行模擬,縱向設(shè)置5片T形梁截面之后,橫向設(shè)置剛度相等、質(zhì)量為零的虛擬橫梁,縱梁與虛擬橫梁共同承受車輛荷載作用。建立所得的有限元模型如圖2所示。

圖1 多跨連續(xù)梁橋橫截面Fig.1 Cross section of multi-span continuous girder bridge

圖2 ANSYS有限元模型Fig.2 ANSYS finite element model

基于ANSYS軟件建立的橋梁有限元模型,首先在模型中梁的各跨跨中施加車輛靜力荷載,設(shè)置車輛荷載為30 t,橋梁混凝土彈性模量為3.45×104MPa,分析計(jì)算得5片單梁的各跨跨中撓度,計(jì)算結(jié)果見表1。同時(shí)分別利用ANSYS軟件計(jì)算得到有限元模型在中梁各跨跨中施加靜力荷載時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力云圖,計(jì)算結(jié)果如圖3—圖5所示。

式中：i為年份，j為指標(biāo)序號(hào)，aij為指標(biāo)數(shù)據(jù)原始值，bij為標(biāo)準(zhǔn)化值，amax、amin分別為第j指標(biāo)的最大值和最小值。

從橋梁的有限元模型在靜力荷載作用下所產(chǎn)生的3個(gè)應(yīng)力云圖可以看出,在重力作用下邊跨處產(chǎn)生最大應(yīng)力,中跨次之,次邊跨處最小;車輛荷載作用在邊跨時(shí)產(chǎn)生的橋梁最大應(yīng)力為7.13×106N/m2,作用在次邊跨時(shí)產(chǎn)生的橋梁最大應(yīng)力為6.55×106N/m2,作用在中跨時(shí)產(chǎn)生的橋梁最大應(yīng)力為5.60×106N/m2,可見邊跨處荷載產(chǎn)生的應(yīng)力最大。

表1 中梁各跨跨中施加靜力荷載的撓度Tab.1 Deflection caused by static load applied in each span of the center beam mm

圖3 一跨跨中車輛荷載作用下應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram under vehicle load in first span

圖4 二跨跨中車輛荷載作用下應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram under vehicle load in second span

圖5 三跨跨中車輛荷載作用下應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram under vehicle load in third span

通過靜力荷載作用下的橋梁撓度數(shù)據(jù)和應(yīng)力云圖結(jié)果分析可知:橋梁在大型貨車的荷載和自重荷載的作用下,可以產(chǎn)生的最大靜撓度約為11 mm;在自重荷載的作用下,邊梁的跨中撓度最大,次邊梁的跨中撓度最小;在中梁的各跨跨中施加靜力荷載,可以得到施加荷載的橋梁跨中位置處中梁撓度最大,次邊梁略小,邊梁最小。由此可確定橋梁模型受力特性符合實(shí)際情況。

3 數(shù)值仿真結(jié)果

3.1 動(dòng)力放大系數(shù)計(jì)算

動(dòng)力放大系數(shù)即為橋梁在汽車動(dòng)力荷載和汽車靜力荷載作用下最大動(dòng)力響應(yīng)與最大靜力響應(yīng)的比值,本文選用五跨連續(xù)梁橋,分別選取其邊跨跨中、次邊跨跨中和中跨跨中3個(gè)位置的最大荷載響應(yīng)進(jìn)行研究,計(jì)算并比較其動(dòng)力放大系數(shù)[24-25]。

動(dòng)力放大系數(shù)計(jì)算即利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析可得到橋梁3個(gè)跨中位置在車輛經(jīng)過橋梁時(shí)所產(chǎn)生的荷載效應(yīng),本文對(duì)3個(gè)跨中位置處的撓度、應(yīng)力2個(gè)荷載效應(yīng)分別進(jìn)行研究,濾去產(chǎn)生荷載效應(yīng)中的橋梁自重荷載,比較其車輛動(dòng)力荷載效應(yīng)和最大靜力荷載效應(yīng)[26]的比值。圖6為五跨連續(xù)梁橋在車輛靜載作用下的中跨跨中撓度隨車輛位置變化的曲線(靜撓度),和車輛以20 m/s行駛過橋梁時(shí)中跨跨中撓度隨行駛距離變化的曲線(動(dòng)撓度)。計(jì)算的結(jié)果中提取相應(yīng)的最大靜撓度和最大動(dòng)撓度,同時(shí)減去橋梁自重產(chǎn)生的撓度,即可得到汽車荷載最大靜撓度和最大動(dòng)撓度,求取比值即為動(dòng)力放大系數(shù)。本文中3個(gè)跨中位置處的4種荷載效應(yīng)下的動(dòng)力放大系數(shù)計(jì)算方法均相同。

3.2 車輛頻率對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)的影響

車輛模型的車體通過彈簧阻尼器與橋梁模型進(jìn)行連接,車輛的振動(dòng)頻率與車體的質(zhì)量、彈簧阻尼器的剛度等有關(guān),若改變車體的重量,不僅改變了車輛的頻率,也改變了車輛荷載的大小,不能獨(dú)立研究單一因素對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)的影響。本文取車體質(zhì)量為30 t,分別取彈簧阻尼器的剛度為1×105、2×105、3×105、4×105

圖6 中跨跨中動(dòng)靜撓度曲線Fig.6 Dynamic and static deflection curve of midspan

、5×105N/mm,即可計(jì)算得出相應(yīng)車輛的振動(dòng)頻率分別為2.906、4.109、5.033、5.812、6.498 s-1。故通過改變車輛的彈簧阻尼器的剛度,來改變車輛頻率,從而得到不同跨中位置處多種荷載響應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)變化規(guī)律,分析結(jié)果如圖7—圖9所示。

圖7 車輛頻率對(duì)中梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.7 Influence of vehicle frequency on dynamic amplification factor of center beam

圖8 車輛頻率對(duì)次邊梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.8 Influence of vehicle frequency on dynamic amplification factor of secondary side beam

圖9 車輛頻率對(duì)邊梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.9 Influence of vehicle frequency on dynamic amplification factor of side beam

由圖7—圖9可知,中梁和次邊梁在不同的跨中位置,不同的荷載效應(yīng)下得到的動(dòng)力放大系數(shù)均在車輛頻率為4～5 Hz時(shí)取得最大值,經(jīng)模態(tài)分析可得,橋梁頻率為4.44 Hz,此時(shí)車輛頻率與橋梁頻率十分接近,顯然車橋間產(chǎn)生的共振效應(yīng)是此時(shí)產(chǎn)生最大動(dòng)力放大系數(shù)的原因。然而計(jì)算所得邊梁處的動(dòng)力放大系數(shù)卻隨著車輛頻率的遞增呈現(xiàn)衰減的趨勢,且沖擊系數(shù)的計(jì)算結(jié)果在車輛頻率較小時(shí)取值較大,能達(dá)到接近2.5的撓度沖擊系數(shù)。其次,對(duì)于所有的T形梁而言,在大多數(shù)情況下,邊跨跨中產(chǎn)生的動(dòng)力放大系數(shù)均大于中跨跨中和次邊跨跨中,而中跨跨中和次邊跨跨中的動(dòng)力放大系數(shù)則大小接近,尤其當(dāng)車輛頻率較大時(shí),3個(gè)不同跨中位置處的動(dòng)力放大系數(shù)大小均較為接近。

3.3 橋梁頻率對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)的影響

由圖10—圖12可知,對(duì)于中梁而言,隨著橋梁頻率的增加,邊跨跨中在不同的荷載效應(yīng)下得到的動(dòng)力放大系數(shù)均在穩(wěn)步下降,而次邊跨跨中和中跨跨中的動(dòng)力放大系數(shù)則在撓度效應(yīng)下先降后升,在應(yīng)力效應(yīng)下先升后降。而對(duì)于次邊梁而言,隨著橋梁頻率的增加,邊跨跨中在不同的荷載效應(yīng)下得到的動(dòng)力放大系數(shù)均在穩(wěn)步下降,而次邊跨跨中和中跨跨中的動(dòng)力放大系數(shù)則在撓度效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)下均呈現(xiàn)先降后升的趨勢。對(duì)于邊梁,其動(dòng)力放大系數(shù)卻隨著車輛頻率的遞增呈現(xiàn)衰減的趨勢,且邊梁處的動(dòng)力放大系數(shù)相比于中梁和次邊梁明顯較大。同時(shí),也可看出3個(gè)不同跨中位置的動(dòng)力放大系數(shù)值均隨著橋梁頻率的增加而更加接近。且對(duì)于不同的荷載效應(yīng)下,跨中撓度動(dòng)力放大系數(shù)能取最大值,均遠(yuǎn)大于應(yīng)力效應(yīng)下的動(dòng)力放大系數(shù)。

圖10 橋梁頻率對(duì)中梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.10 Influence of bridge frequency on dynamic amplification factor of center beam

圖11 橋梁頻率對(duì)次邊梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.11 Influence of bridge frequency on dynamic amplification factor of secondary side beam

圖12 橋梁頻率對(duì)邊梁撓度動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.12 Influence of bridge frequency on deflection dynamic amplification factor of side beam

3.4 擾動(dòng)頻率與橋梁頻率比值對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)的影響

圖13 擾動(dòng)頻率與橋梁頻率比值對(duì)中梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.13 Influence of disturbance frequency/bridge frequency on dynamic amplification factor of center beam

車輛對(duì)橋梁的擾動(dòng)頻率與車輛行駛速度和橋梁的跨徑有關(guān),同理,為了不影響中國公路通用圖中的橋梁標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),此處通過改變車輛的行駛速度來研究動(dòng)力放大系數(shù)隨擾動(dòng)頻率與橋梁頻率的比值變化的變化規(guī)律,所使用的行車速度分別為10、15、20、25、30 m/s,計(jì)算所得的擾動(dòng)頻率與橋梁頻率比值分別為0.047、0.071、0.094、0.118、0.141,動(dòng)力放大系數(shù)分析計(jì)算結(jié)果如圖13—圖15所示。

圖14 擾動(dòng)頻率與橋梁頻率比值對(duì)次邊梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.14 Influence of disturbance frequency/bridge frequency on dynamic amplification factor of secondary side beam

圖15 擾動(dòng)頻率與橋梁頻率比值對(duì)邊梁動(dòng)力放大系數(shù)的影響Fig.15 Influence of disturbance frequency/bridge frequency on dynamic amplification factor of side beam

由圖13—圖15可知,對(duì)于所有的T形梁而言,隨著擾動(dòng)頻率與橋梁頻率比值(行車速度)的增加,邊跨跨中和次邊跨跨中在不同的荷載效應(yīng)下得到的動(dòng)力放大系數(shù)均為先升后降,且均在行車速度為25 m/s左右時(shí)達(dá)到頂點(diǎn),而中跨跨中的動(dòng)力放大系數(shù)則在不同的荷載效應(yīng)下均為緩慢上升。同時(shí),也可看出3個(gè)不同跨中位置的動(dòng)力放大系數(shù)值均在車速較小時(shí)十分接近,隨著車速的增加而產(chǎn)生相對(duì)的差異。邊梁計(jì)算所得的動(dòng)力放大系數(shù)雖變化趨勢與中梁和次邊梁相近,但邊梁的動(dòng)力放大系數(shù)取值卻均遠(yuǎn)大于中梁和次邊梁,最大的動(dòng)力放大系數(shù)可達(dá)到5.8。

4 結(jié)論

車輛橋面行駛產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)有多種表現(xiàn)形式,本文基于車橋耦合振動(dòng)理論,對(duì)車輛荷載作用下,多跨連續(xù)梁橋不同位置處撓度、應(yīng)力2個(gè)動(dòng)力響應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)進(jìn)行影響因素分析,得到的主要結(jié)論如下。

(1)當(dāng)車輛頻率與橋梁的基頻接近時(shí),將會(huì)產(chǎn)生共振的效果,此時(shí)在邊跨跨中、次邊跨跨中和中跨跨中等位置均會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)力放大系數(shù)。

(2)在不同的影響因素作用下,不同的荷載效應(yīng)計(jì)算,所得的中跨跨中位置和次邊跨跨中位置處動(dòng)力放大系數(shù)變化規(guī)律和數(shù)值大小均較為接近,而與邊跨跨中位置處的動(dòng)力放大系數(shù)則存在一定的差異,說明邊跨處一端簡支的結(jié)構(gòu)對(duì)此處的動(dòng)力放大系數(shù)存在較大的影響。

(3)通過對(duì)橋梁多片主梁的動(dòng)力放大系數(shù)進(jìn)行分析,可以看出橋梁的邊梁相對(duì)于其中梁和次邊梁存在較大的差異,如邊梁的動(dòng)力放大系數(shù)隨車輛頻率的變化趨勢與中梁和次邊梁明顯存在差異;邊梁的動(dòng)力放大系數(shù)數(shù)值大小相較于中梁和次邊梁取值較大。

(4)本文有限元分析可以看出,車輛荷載不同響應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)大小與變化規(guī)律均存在差異,且車輛頻率、橋梁頻率、行車擾動(dòng)頻率等均對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)產(chǎn)生影響,故公路橋梁規(guī)范中的沖擊系數(shù)僅作為橋梁基頻的函數(shù),與實(shí)際有較大的差距,有待改進(jìn)。