浅析桥梁结构的风-车-桥耦合振动问题

浅析桥梁结构的风-车-桥耦合振动问题
1 引言：随着我国经济的飞速发展，大跨度桥梁越来越多，由于柔度很大，所以在风和上面的车辆作用下，会产生较大的变形和振动会对上面的行人以及桥梁产生较大的危险。

因而对风-车-桥耦合振动的研究也越来越重要。

本文介绍了目前国内和国外风-车-桥耦合振动研究的概况以及工作中尚存的有待进一步完善的问题，并指出了风-车-桥耦合振动问题未来发展趋势。

2 国内和国外风-车-桥耦合振动研究的概况以及工作中存在的问题
2.1国内风车桥耦合振动研究概况
我国学者以结构动力学为基础，分析了连续梁桥结构在汽车荷载作用下的动态性能，并运用计算机模拟、讨论了不同车速、车型情况下的桥梁动态响应变化，以此分析出影响结构动态性能的主要因素2]-[3]。

为简化分析的过程，在他们的研究中将桥梁简化为线性系统，略去了桥面和横梁的约束，在计算中采用设计中常用的截面换算法，将钢筋换算成混凝土，同时将截面折算成等面积的矩形，且仅考虑梁的弯曲振动，而不计梁的转动惯量和剪切变形的效应[4]。

2005年，王解军等采用2轴车辆分析模型与梁单元，建立了适应于大跨桥梁车辆振动计算的车桥耦合单元模型，基于功率谱密度函数生成随机路面粗糙度，分析阻尼对行车荷载作用下桥梁振动性能的影响[5]。

北方交通大学夏禾教授、阎贵平教授等研究了考虑车-桥-基础相互作用系统的结构动力可靠性问题桥梁结构在多种随机荷载作用下车桥系统动力可靠性问题、脉动风与列车荷载同时作用下桥梁的动力响应问题，分析了地震荷载对桥上列车运行平稳性的影响得到了许多有价值的结论[6]。

2.2国外风车桥耦合振动研究概况
20世纪60；70年代西欧和日本开始修建高速铁路对桥梁动力分析提出了更高的要求同时电子计算机的出以及有限元技术的发展使得车桥振动研究具备了强有力的分析手段这极大地促进了车桥耦合振动研究的向前发展。

美国伊利诺理工学院的K.H.Chu等人最早采用复杂的车辆模型来分析铁路车桥系统的振动响应问题即将机车车辆简化为由车体、前后转向架、各轮对等部件组成各部件看成刚体在空间具有6个自由度之间通过弹簧与阻尼联系起来[7]。

以轨道横向与竖向不平顺为激励源将整个车桥系统划分成车辆与桥梁两个子系统分别建立车辆
与桥梁的运动方程以轮轨相互作用将这两个运动方程联系起来K.H.Chu等人所建立的多刚体多自由度车辆分析模型得到了后来各国研究人员的广泛采纳对现代车桥振动研究理论产生了深远影响。

在此前后欧洲的法国、意大利、丹麦等国研究者也进行了类似的甚至更深入的研究工作。

G.Diana[8]探讨了大跨度悬索桥的列车走行问题以及列车在已经发生变形的大跨度悬索桥上运行时的动力响应M.Olsson[9]采用有限元-模态技术求解车桥动力响应Green和Cebon提出了在频域内求解分离的车桥系统方程的新方法，他们利用模态脉冲响应函数与模态激扰力采用模态迭加法并结合FFT和IFFT技术来求解桥梁的动力响应[10]。

Yeong-Bin yang采用动态凝聚法求解车桥系统的动力响应问题[11]。

由于将所有与车体有关的自由度在单元级进行凝聚使得计算效率大为提高，Bogaert采用简化的车辆模型，研究高速列车通过肋式拱桥的竖向振动冲击效应，并给出了冲击系数的简化表达式12]。

2.3研究工作中存在的问题
我国现行的桥梁设计规范将汽车荷载分为四个等级13]，冲击系数却采用相同的计算公式，显然这是和实际不相符合的，在许多计算设计中都把桥梁所受的力看成确定的力来计算，然而实际的受力情况存在着很多不确定的因素；所以显然这种计算方法不是十分精确，需要进一步进行分析14]。

而且现在多数风-车-桥耦合振动研究仅限于二维平面内的分析，虽然在二维平面内的简化模型对于纵向弯曲振动的桥梁是比较准确的，但实际中有不少桥梁还呈现扭转与横向弯曲振动模型，如按照二维模型分析，则这样的弯曲模型不能给出准确的动荷载[15]。

风和车辆的竖向振动、横向振动模型和空间振动模型都值得进一步研究。

3：风车桥耦合振动研究的未来发展趋势
3.1桥梁在荷载作用下的安全问题
随着铁路建设的发展，跨越大江大河的大跨度桥梁日益增加，跨度也将越来越大，对大跨度铁路桥梁而言，不仅要研究列车过桥时的振动问题，更重要的是要研究在各种荷载作用下，桥上列车运行的安全性和舒适性问题以及桥梁结构本身的安全与振动状态问题]16]。

3.2解决高速列车作用下的振动问题
高速列车通过桥梁时将产生较大的振动，而且列车高速运行时带动列车周围空气随之运动而产生的列车风使列车附近环境空气压力波动及其对桥梁产生的
效应；列车风与自然风的相互作用及其對车桥系统动力特性的影响等[17]。

此外，鉴于风对结构动力作用问题的重要性和复杂性，还需要大量的理论与试验研究。

因此采用结构控制技术来减少高速铁路桥梁的振动也将成为今后车桥振动研究的一个新方向[18]。

3.3风-车-桥耦合振动对环境的影响
随着高速铁路的修建，列车高速通过桥梁时引起的振动将对周围的建筑物和人体产生影响。

同时会引起巨大的噪声。

另外，城市轻轨的修建，也带来类似的问题。

因此，研究风-车-桥耦合振动引起的振动在周围环境中的传播，以及这种振动对周围环境的破坏及破坏程度。

必将成为今后车桥振动研究的一个新热点。

3.4冲击系数的进一步研究
世界各国对公路桥梁的冲击问题已经作了大量的理论与实测研究。

在理论上已经建立了一个比较能反映实际情况的汽车一桥梁模型。

在我国现行的桥梁设计规范中，对各种桥型的车辆振动特性有进一步的了解，但还缺乏一个能供实用设计的简便计算公式。

我国交通部能支持这一研究项目，提出一套符合我国路面情况、车辆荷载的梁桥、曲桥、拱桥及横向联结系的冲击系数计算公式。

这一研究对我国公路桥梁设计及维修加固具有极其深远的意义。

4：结论：
在影响风-车-桥耦合振动的众多因素中，诸如汽车荷载的流量大小、行车速度、车辆间距、车辆行驶位置以及风的速度、方向都具有明显的随机性，因而进行风-车-桥振动理论分析的难度较大。

但随着电子计算机的出现以及有限元技术的发展。

使得风-车-桥振动研究具备了强有力的分析手段。

这极大地促进了风-车-桥耦合振动研究的向前发展。

这也将促进风-车-桥耦合振动研究日益走向完善和成熟。

参考文献：
[2]林梅，肖盛燮.桥梁车辆振动分析理论评述[J].重庆交通学院学报，1998，17（3）：1-8.
[3]王少钦，岳祖润，马骏.车辆对桥梁动力作用简化方法的研究[J].石家庄铁道学院学报，2005，18（3）：47-51.
[4]Veletsos A S，Huang Analysis of dynamic response ofhighway bridges[J].Journal of Engineering Mechanics，ASCE，1970，195（5）：342-351
[5]王解军，张伟，吴卫祥.重型汽车荷载作用下简支梁桥的动力反应分析[J].中南公路工程，2005，30（2）：55-62.
[6]夏禾.车-梁-墩体系动力相互作用分析[J].土木工程学报，1992（02）：3-12.
[7]K H Chu；V K Garg；C L Dhar Railway-Bridge Impact：Simplified Train and Bridge Model 1979（09）
[8]G Diana，F Cheli.Dynamic Interaction of Railway Systrms with Large Bradges[J].Vehilce Dynamics，1989，18（1）：1-12
[9]M Olsson.finite Element Model Co-ordinate Analysis of Structures Subjected to Moving LOADS[J].Journal of Sound & Vibration，1985.99（1）；1-12
[10]M F Green，D Cebon，David J Cole. Effects of Vehicle Suspension Design on Dynamics of Highway Bridges[J]Journal of Structural Engineering，ASCE，1995，121（2）：272-282。