李萬德
(1.遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司,遼寧 沈陽 110111;2.遼寧大通公路工程有限公司,遼寧 沈陽 110111)
在不中斷交通狀態(tài)下對橋梁進行混凝土施工時,車輛是橋梁養(yǎng)護過程中的主要擾動因素,橋梁結(jié)構(gòu)在車橋耦合振動及普通混凝土內(nèi)部應力的雙重作用下,早期微裂紋的產(chǎn)生難以避免,進而加劇了混凝土性能的劣變,對于大面積的橋面施工更甚。車橋耦合作用下的動力響應對施工的影響程度不盡相同,因此,研究移動車輛荷載下的動力響應變化規(guī)律對掌握混凝土損傷規(guī)律具有重要指導意義[1]。
本文依托典型公路橋梁實例,對比分析了車輛速度、車輛橫橋向行駛位置、車橋重量等因素影響下的車橋耦合作用,實測總結(jié)了不中斷交通狀態(tài)下不同車速的最大動撓度及沖擊系數(shù),同時分析了各橋振動響應級別。
車流量形成的荷載、行車速度、車輛行駛位置、車輛自身荷載以及橋面平整狀態(tài)[2]等諸多因素對車橋耦合振動的影響具有明顯的不定性,在這樣的限定條件下進行車橋振動理論分析較為困難。
1892 年,法國工程師Deslandres M[3]利用振動記錄儀對Pontoise 橋開展了車橋在豎橫向共同作用下的動力響應研究。1931 年,英國公路橋梁荷載沖擊系數(shù)規(guī)范問世,由土木工程協(xié)會制定[4]。1958-1981 年間,瑞士聯(lián)邦材料測試和研究實驗室(EMPA)實驗室[5],對各類公路橋梁分別進行了動態(tài)荷載試驗?;谠囼灁?shù)據(jù),指出車輛振動發(fā)生時公路橋才會表現(xiàn)出明顯的動力響應這一現(xiàn)象,特別討論了基頻與最大跨度的關(guān)系。
近些年來國內(nèi)許多學者對車橋耦合作用陸續(xù)展開了研究,雖相對國外起步較晚,但也有了系統(tǒng)的了解。丁南宏等[6]基于功率譜密度函數(shù),通過脈動實驗、跳車實驗、跑車實驗三種實驗,將所獲結(jié)構(gòu)的自振特性、阻尼及動力響應與有限元結(jié)果進行了對比分析。陳世俊[7]采用ANSYS 有限元軟件,基于描述路面平整度的功率譜密度(PSD),充分模擬了車輛在路面不平順和“跳車”兩種狀況下橋梁的動力響應。
車橋耦合動力學問題仍然是歷久彌新的問題,在當下復雜多變的交通領(lǐng)域中,對車橋耦合作用的探索是必然的發(fā)展趨勢。
公路橋梁的動力特性除了受到橋跨結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)型式、支承條件、質(zhì)量和剛度分布等橋梁自身結(jié)構(gòu)的影響外,還受到橋面平整度、車輛速度、車輛橫橋向行駛位置、車橋重量等外在因素的影響。
本文結(jié)合某16m 跨徑預應力混凝土空心板梁橋動力響應的分析結(jié)果,對公路橋梁動力響應因素進行了分析。該橋橫向由10 片板組成,采用梁單元和板單元組合建立該橋的有限元模型。主梁采用C50 混凝土,彈性模量為3.14×104MPa,密度為2500kg/m3,計算動力響應時取橋梁的一階和二階模態(tài)阻尼比為3%。
圖1 梁格法整橋有限單元模型
就沖擊系數(shù)與車速之間的關(guān)系,姜維成等[8]通過模型實驗數(shù)據(jù)分析得出,車輛運行速度越快沖擊系數(shù)越大。桂水榮等[9]建立車橋耦合振動分析模型,針對某一剛構(gòu)-連續(xù)組合橋梁的沖擊系數(shù)進行了研究分析,研究結(jié)果表明行車速度是影響各截面沖擊系數(shù)指標的敏感性因素之一。Moghimi 等[10]指出DLA 橋梁一階固有頻率的函數(shù)與卡車速度有很好的相關(guān)性,尤其是在高速行駛時,當卡車重量大于總橋面板重量的10%時,DLA函數(shù)與車輛速度呈現(xiàn)低程度的相關(guān)性。DLA 函數(shù)隨車道偏心率(相對于橋面中心線)的增大而減小,隨橋梁跨徑的增大而減小,在跨徑入口時,DLA函數(shù)與車輛的初始彈跳沒有明顯的相關(guān)性。
本研究為了模擬不中斷交通狀態(tài)下橋梁的行車狀態(tài)(即半封閉交通狀態(tài)),僅在一側(cè)車道上定義了行車位置,假定各行駛位置具有相同的橋面平順度,一輛40t 的重車分別以10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h 的速度行駛通過橋梁,經(jīng)分析得出行車一側(cè)的邊板在不同車速下的動位移如圖2所示。
圖2 行車一側(cè)邊板不同車速下的動位移
由圖2 得出最大動撓度及沖擊系數(shù)計算如表1所示。
表1 不同車速下的理論沖擊系數(shù)
表2 車輛對橋梁振動的影響級別
就沖擊系數(shù)與車速之間的關(guān)系,表1 說明車輛速度對橋梁的沖擊系數(shù)影響并不呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,但車速仍明顯隨車輛對橋梁最大的沖擊作用而變化。
假定各行駛位置橋面平順,并且車輛上橋時的初始狀態(tài)相同,分析汽車在橫橋向不同位置行駛對橋梁動力響應的影響。不同橫橋向行駛位置時,各片主梁的動力放大系數(shù)如圖3所示。
圖3 汽車不同橫向行駛位置時各片主梁的動力放大系數(shù)
從圖3 中可以看出,在汽車荷載作用下各片梁的動力放大系數(shù)不同,當汽車行駛位置沿橫橋向移動時,各片主梁的動力放大系數(shù)將隨之發(fā)生變化。對于邊梁(1#梁、10#梁),當汽車作用在其上方使其受力最大時,其動力放大系數(shù)最小,汽車越遠離該邊梁,其動力放大系數(shù)越大。對于次邊梁(2#梁、9#梁)及中梁(5#梁~8#梁),當汽車的質(zhì)心位于其正上方時,其動力放大系數(shù)最小,中梁的最大動力放大系數(shù)出現(xiàn)在車輛沿邊梁上行駛的時候。
在橋面光滑的情況下,取汽車行駛速度為50km/h,改變汽車的車體質(zhì)量,汽車其他參數(shù)取初始參數(shù),分別計算橋梁的動力響應,討論車體質(zhì)量對橋梁動力響應的影響,相應的動力放大系數(shù)如圖4所示。
圖4 汽車不同車體重量各片主梁的動力放大系數(shù)
當車體質(zhì)量增加時,橋梁的動撓度迅速增長,因此,可以認為車體質(zhì)量是導致橋梁動力響應大小變化的主要因素,在橋面光滑的條件下,車體質(zhì)量的改變對橋梁動力放大系數(shù)沒有影響,但是由于車體質(zhì)量的增加將導致橋梁動力響應幅值的明顯增大,從而危害橋梁的安全,所以對于半封閉交通的公路橋梁,應該嚴格限制超載車輛通行。
DavidManning[11]通過調(diào)研分析了車輛對橋梁振動的影響級別。
本文結(jié)合現(xiàn)場測試和整理歷年數(shù)據(jù),總結(jié)了22 座8~25m 典型公路裝配式空心板橋梁在行車作用下的動力響應,從橋梁結(jié)構(gòu)的振動加速度、速度、振幅、頻率,分別對車橋振動的影響進行分析,為結(jié)構(gòu)振動控制與抗擾動混凝土的試驗研究提供依據(jù)。將實測橋梁動力響應匯總?cè)绫?所示。
表3 典型不同跨徑橋梁不中斷交通狀態(tài)下動力響應匯總
從表3 統(tǒng)計結(jié)果可知,8~20m 橋梁實測的加速度響應范圍為0.05~10.18m/s2,峰值振動位移為0.04~3.35mm,而重型交通范圍內(nèi)橋梁的一階頻率與峰值點振動頻率差值范圍為-3%~15%,易發(fā)生于16~20m跨徑的橋梁,通過減振手段對大于13m 跨徑橋梁的一階自振頻率進行控制。
本文對橋梁在車橋振動下的理論進行了介紹,分析了不中斷交通狀態(tài)下橋梁動力響應的影響因素,通過實測典型公路橋梁的動力響應結(jié)果得出了以下結(jié)論:
①車輛對橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)增量并非隨著車速的提高而不斷增大,而是在某個速度下會出現(xiàn)峰值,同時由于橋面不平順的隨機性,車輛對橋梁最大的沖擊作用對應的車速也是變化的;
②當汽車行駛位置沿橫橋向移動時,各片主梁的動力放大系數(shù)將隨之發(fā)生變化。當汽車的質(zhì)心位于某片板正上方時,其動力放大系數(shù)最小,汽車橫向位置越遠離該梁,該梁的動態(tài)增量越大;
③橋梁動力響應幅值隨著車輛自重的增大而增大,車體自重對橋梁動力響應的影響不容忽視;
④由實測裝配式空心板公路橋梁動力響應的結(jié)果可知,重型交通范圍內(nèi)橋梁的一階頻率與峰值點振動頻率差值范圍為-3%~15%,易發(fā)生于16~20m 跨徑的橋梁,應通過減振手段對大于13m跨徑橋梁的一階自振頻率進行控制。