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移动车辆荷载作用下梁式桥动力性能设计与评价方法

高庆飞  
【摘要】:不同于其他土木结构,公路桥梁结构在运营期间主要荷载形式是移动车辆荷载,且车辆振动与桥梁振动将会相互影响,即车辆桥梁耦合振动。回顾大量桥梁发生的重大事故中,40%的桥梁破坏是由于移动车辆振动所致,主要表现为动力损伤等破坏形式。因此,公路桥梁除应满足静力强度要求外,还应具有良好的动力工作性能,以保证车辆通过桥梁时桥梁的安全性及行人与车辆的舒适性。不管在桥梁动力设计还是动载试验中,都将涉及到相应的桥梁结构的动力性能的研究。而目前对于桥梁结构振动响应的评定成果主要集中于铁路桥梁方面。实际上,对于公路桥梁结构来说,移动车辆荷载是其主要形式,也是引起结构动力损伤的主要因素。因此,本文针对移动车辆荷载作用下公路梁式桥动力性能的设计与评价方法不足的问题,展开了相关研究。基于模态综合法,结合大型通用商业有限元软件ANSYS与MATLAB各自的优势,编制了用于车辆桥梁耦合振动分析的程序VBCVA与行人及行车舒适性评价的程序VCE,并通过与ANSYS以及既有文献的计算结果对比验证了自编程序的正确性与有效性。从桥梁结构动力特性、动力响应以及行人与行车舒适性的角度,提出了以桥梁自振频率、冲击系数、桥梁振动加速度以及车辆振动加速度作为移动车辆荷载作用下桥梁结构动力性能指标。同时,结合理论推导与数值模拟,给出了中小跨径等截面连续梁桥的自振频率估算公式,补充了现行规范对桥梁自振频率估算的规定。另外,对不同部位以及不同响应对应冲击系数之间的差别进行了讨论,指出挠度冲击系数最大、弯矩冲击系数次之、剪力冲击系数最小;因此,作为设计指标可选择较为保守的挠度冲击系数,但作为评价指标应将挠度冲击系数与弯矩冲击系数分别考虑。将车辆假设为常量力、简谐力、弹簧质量块等简化模型,识别出了影响桥梁动力响应的主要参数及其影响规律,最终提出了基于简化模型的桥梁动力性能设计方法。不计桥梁阻尼的车辆桥梁振动简化模型理论推导表明,影响桥梁冲击系数的主要参数有三个,分别是:车辆桥梁质量比、扰动频率与桥梁频率之比、以及车辆频率与桥梁频率之比。在不同速度情况下,冲击系数均随着阻尼比的增大而减小,且其斜率基本相等。针对桥梁结构安全性,分别以桥梁冲击系数与振动加速度作为动力响应指标,结合传统方法(单因子法)与正交试验法,研究了影响桥梁动力响应的主要因素及其各自的影响规律;正交试验法的采用,使得不同因素之间的相互影响得以充分考虑。简支梁桥的正交试验表明,不管是桥梁冲击系数还是振动加速度,桥面不平整度与其他因素的交互作用最为明显,尤其是桥面不平整度与桥梁跨径的交互作用。连续梁桥的正交试验表明,不管是桥梁冲击系数还是振动加速度,桥面不平整度、桥梁主跨跨径、桥梁边中跨比与桥梁跨数之间的交互作用较为明显。另外,指出运用桥梁结构基频单一参数表示的冲击系数表达式是存在一定的缺陷的,尤其是在桥梁结构自振频率位于2Hz~4Hz范围。分别选择典型梁式桥结构与车辆类型,研究了车辆经过不同桥梁结构时对应的行车舒适性,结果表明:车体振动加速度随着车辆行驶速度、桥面不平整度以及车辆载重的变化规律,与桥梁类型以及跨径布置基本没有关系,但与车辆类型有关;同一车道其他车辆或相邻车道过往车辆对行车舒适性的影响,取决于其他车辆引起该车辆所在位置桥梁振动与此处桥面不平整度的相对大小关系,即当引起的桥梁振动远小于此处桥面不平整度,则不同车辆之间行车舒适性的相互影响作用可忽略不计。通过车辆悬挂系统阻尼与刚度、车辆轮胎阻尼与刚度对车辆振动的影响分析,给出了基于车桥振动的车辆设计建议:车辆悬挂系统阻尼对小轿车的影响较小,而大客车的车体振动加速度随着悬挂系统阻尼的增大而减小;车辆悬挂系统刚度增大,则车体振动加速度减小;车辆轮胎阻尼与刚度均对大客车的影响较小,而小轿车的车体振动加速度随着车辆轮胎刚度增大而呈增大趋势,但随着车辆轮胎刚度的增大而呈减小趋势。对既有桥梁动力性能评价规范进行了详细讨论,并研究了单辆车与多辆车经过常见梁式桥的动力响应:当横向多车辆布置时,由于不同车辆引起桥梁振动响应相位的差别,应注意其相比于单车辆时的冲击系数折减系数,具体数值大小与桥梁类型、桥梁跨径以及桥面给不平整度等均有关。最后,对基于桥梁动力性能评价方法的动载试验提出了具体的操作流程及建议。本文所得研究成果可为桥梁动力性能设计与评价提供一定的参考,并为相关规范的修订提供依据;同时,对完善和提高桥梁设计水平,避免桥梁结构动力损伤破坏,保证桥梁安全性及行车舒适性具有重要理论意义和学术价值。


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