车速对大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动的影响分析

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｃｏｎｏｍｙｉｎＡｒｅａｓｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＴＥＡＣ）２００６年第３期（总第３５期）交通科技与经济钢管混凝土结构早在１９世纪８０年代就已经出现，钢管混凝土技术最早是在前苏联、美国、日本以及西欧等国家得到较好的发展与应用。

在我国，钢管混凝土材料已被广泛应用于建筑行业。

在桥梁工程方面，钢管混凝土材料也被广泛采用，主要应用于大跨径拱桥，已经建成数量可观的钢管混凝土拱桥，在特殊情况下也被用为桥墩材料。

钢管混凝土组合材料，结合两种不同力学性质材料的优点，具有独特的工作特点：弹性工作而塑性破坏，承载力高而极限压缩变形大。

其应力应变关系接近于钢材的性能。

这种材料应用于拱桥，与钢筋混凝土拱桥相比，增大了拱桥的跨径，而且使桥梁结构轻盈，提高了桥梁的观赏性，这种桥型的优点在城市桥梁中表现的尤为突出。

随着国民经济的不断发展，交通量显著增长，车辆轴重不断加重，车辆数不断增加，车辆密度也随之提高，与此同时，对桥梁结构的稳定与振动性能的要求也随之提高。

随着跨度的增大，研究人员开始对钢管混凝土拱桥的动力性能也进行研究，对移动荷载作用下桥梁与车辆的动态响应也十分关注，从古典的弹簧质点体系到现代车桥相互作用理论，已经进行了不少研究，提出了一个较为综合的模型来模拟桥梁与汽车共同作用组成的系统，但在实际应用时有一定的局限性。

１车桥耦合振动在车辆动荷载作用下或者风力、地震、地面运动作用下，桥梁结构产生的振动会增大结构所受的内力，可能引起结构的局部疲劳损伤，或者会影响桥梁行车的舒适性与安全性，甚至使桥梁完全破坏。

所以，桥梁的设计计算中都包含有车辆荷载动力作用的内容；对于大跨度的吊桥、斜拉桥以及大跨度的拱桥还需要通过理论计算和模型实验，来保证架设时和建成后的动力稳定性、行车舒适性和安全性。

桥梁结构振动，是伴随着外作用输入（车辆动荷载、风力、地震波）和摩擦损耗（材料的内摩擦和连接及支承的摩擦），结构体系的变形能量和运动能量相互转换的周期过程。

体系振动受到外作用输入影响的多少，与它固有频率和输入作用的频率之比密切相关。

同样，车辆的振动，也是伴随着外作用的输入（路面、桥面对行驶车辆的作用力）和摩擦损耗，体系的变形能量和运动能量相互转化的过程。

其振动受到外作用输入影响的多少，也与其固有频率和输入作用的频率之比密切相关。

车桥耦合振动，就是当车辆行驶通过桥梁时，伴随着车辆与桥梁之间的作用力作为外作用，同时对车辆体系和桥梁结构输入，车辆和桥梁产生的相互影响、相互制约的振动。

在车桥耦合振动中，车辆任意时刻的振动情况都会改变车辆对桥梁的作用力，进而改变桥梁结构的振动情况；同样，桥梁结构任意时刻的振动情况也会改变桥梁对车辆的作用力，进而改变车辆的振动情况。

两个体系的振动相互影响、相互制约，使其可以看作一个车辆桥梁体系的振动。

车辆与桥梁的相互作用是十分复杂的现象，它受很多因素的影响，主要有：车辆的动力特性，包括车辆的轴数、轴距、轴重、自振频率以及减振装置和弹簧中摩擦装置提供的阻力；桥跨结构的动力特性，如桥跨结构的几何尺寸、结构型式、支撑条件、质量和刚度分布；车速；桥头引道与桥面平整度，桥头沉陷及伸缩装置的状况；车辆的数量和在桥上行驶的位置等。

图１依兰牡丹江钢管混凝土桥有限元模型２应用算例与分析依兰牡丹江大桥位于黑龙江省依兰古城西１ｋｍ，原哈同公路牡丹江上游２５６ｍ处，属同江———三亚公路北段黑龙江省境内，是跨越牡丹江的一座大型桥梁。

根据桥位地形特点，【摘要】钢管混凝土材料在桥梁工程中已经得到了广泛的应用，随着研究的深入展，钢管混凝土拱桥在车辆荷载作用下的振动特性研究也备受关注。

以依兰牡丹江钢管混凝土拱桥为例，通过编制程序以及对计算结果的分析，讨论了车速对此桥梁结构的车桥耦合振动的影响，并提出相关意见，为大跨度钢管混凝土拱桥的设计提供参考。

【关键词】车速；大跨度钢管混凝土拱桥；车桥耦合振动；影响因素【中图分类号】Ｕ４４８．３４【文献标识码】Ａ【文章编号】１００８－５６９６－（２００６）０２－００５２－０２车速对大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动的影响分析●刘舒１，王宗林１，王淑涛２（１．哈尔滨工业大学，哈尔滨１５００９０；２．路桥集团桥梁技术有限公司，北京１０００１０）投稿日期：２００５－１１－１０作者简介：刘舒（１９８１－），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向：桥梁与隧道工程。

表１车速对车桥耦合振动影响考虑古城风貌，从美观、经济、技术先进等条件出发，经过多次专家研讨论证，最终确定主孔以２孔１０８ｍ跨径中承式钢管混凝土拱，边孔由４孔５８ｍ跨径的钢筋混凝土箱形拱和３孔８ｍ跨径Ｔ梁引桥为设计方案。

依兰牡丹江钢管混凝土拱桥是我国首座无风撑中承式钢管混凝土拱桥，也是东北第一座钢管混凝土拱桥。

依兰牡丹江钢管混凝土拱桥跨径１０８ｍ，双向两车道，桥宽１２ｍ，钢管拱主肋以分离式两组三角形钢管桁构组成，并且桥面系上不设风撑，桥梁下部采用重力式墩和埋置式桥台。

图１为该桥梁的Ａｎｓｙｓ有限元模型。

通过编制ｍａｔｌａｂ程序，对车辆以不同速度行驶在依兰牡丹江钢管混凝土拱桥上时车桥耦合振动情况进行分析，表１列出了车辆分别以３０、４０、５０、６０、７０、９０ｋｍ／ｈ的速度行驶时，跨中横梁中截面、跨中截面拱肋上弦杆的时程曲线。

３结论由表１可知，对于跨中截面，当车速由３０～４０ｋｍ／ｈ增加到５０－ｋｍ／ｈ时，桥梁结构的振动明显增强，而当车速由５０～６０ｋｍ／ｈ增加到７０～９０ｋｍ／ｈ时，桥梁的振动则显著减弱。

即当车辆以５０～６０ｋｍ／ｈ的速度行驶时，振动情况最为剧烈，车速降低或者加快振动情况都逐渐减弱。

由此可知，当车辆以不同的速度行驶在桥梁上时，桥梁的振动情况也会不同，并非速度越高振动情况越为剧烈，而是在某一车速范围内，桥梁的振动情况最为剧烈。

对于桥梁其他位置的截面在不同车速下的振动情况，应具体问题具体分析，并不是所以截面都在该车速下振动最为剧烈。

影响钢管混凝土拱桥的车桥耦合振动动力性能的因素还有很多，例如：桥梁自振频率、车辆荷载的激振频率以及桥梁结构形式对桥梁的车桥耦合振动性能的影响以及桥面平整度对桥梁结构动力性能的影响等，本文只简单讨论了车速对该桥梁跨中截面的振动特性的影响，其它因素的影响有待于进一步的讨论和研究。

由于该桥梁结构的纵向联系较弱，可以通过加强桥面系的纵向联系的方法，加大桥面系的整体刚度，使该桥梁在车辆荷载作用下的受力沿纵桥向更为均匀，提供桥梁结构的动力性能，也可以把桥面系与吊杆横梁设置为固接、各吊杆横梁之间加设纵梁等措施来提供钢管混凝土拱桥的整体刚度。

同时，应该注意桥面养护，因为随着桥面不平整度的增大，桥梁的动力放大系数也会不断增大，这也将影响到桥梁结构的动力性能。

（下转第５５页）图１特粗封层石料级配的筛分曲线图２．２含水量含水量的大小也会影响稀浆封层的厚度。

水的来源有三部分：骨料中的水，乳液中的水和外加水。

一般外加水的用量为干骨料重量的６％～１１％，而混合料总的含水量为干骨料重量的１２％～２０％，含水量太小，除混合料太稠不易摊铺外，还影响稀浆与原路面的渗透和结合，不利于裂缝修补，容易引起破乳；含水量太大，混合料太稀，乳液易流淌路外，降低油石比，同时在摊铺时易发生离析。

施工中含水量适当小些，有利于提高封层厚度，这就要求操作手根据试验结果，结合路面状况和气候变化因素及丰富的施工经验。

２．３摊铺箱高度和摊铺速度的调整适当的摊铺厚度和较慢摊铺速度，也能略增稀浆封层的厚度。

摊铺时，先调整摊铺箱，使摊铺箱周边与原路面贴紧，对于ＡＫＺＯＮＯＢＥＬＨＤ－１０型稀浆封层机而言，转动第一橡胶刮板调整手柄可调整第一橡胶刮板对路面高度以获取适当摊铺箱厚度，当摊铺箱内稀浆混合料充满１／２左右的空间时，封层机以２．５～３．０ｋｍ／ｈ的下限速度进行摊铺，就能得到较厚的稀浆封层。

２．４改性乳化沥青稀浆封层采用改性乳化沥青进行稀浆封层，能明显增加稀浆封层的厚度。

改性乳化沥青由于加入高分子活性材料，改性乳化沥青稀浆封层的封层厚度、高温稳定性、低温抗裂性、层间粘结性、耐磨性、耐久性都明显优于未加改性剂的稀浆封层。

采用改性沥青稀浆封层，对于提高稀浆封层的质量是不言而喻的。

３结束语乳化沥青稀浆封层具有广泛的适用性，是很有发展前景的公路养护结构形式，只要处理好稀浆封层应用范围和措施，稀浆封层必将得到推广与运用，对我国公路状况改善与提高产生重要作用。

参考文献：［１］孙祖望．沥青路面养护技术的发展与展望［Ｊ］．筑路机械与施工机械化，２００４，（１）．［２］姜云焕．改性稀浆封层路面修复技术［Ｊ］．筑养路机械，２００４，（１－６）．［３］虎增福．乳化沥青及稀浆封层技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１．［４］ＣＪＪ６６－９５，路面稀浆封层规程［Ｓ］．ＩｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｌｕｒｒｙｓｅａｌＬＩＸｉａｎｇ（ＸｉｎｘｉａｎｇＨｉｇｈｗａｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＤｉｖｉｓｉｏｎ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ４５３０００，Ｈｅ＇ｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｌｕｒｒｙｓｅａｌａｓｔｈｅｐｒｅ－ｖｅｎｔｉｖｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｄｂｙｔｈｅｐａｖｅｍｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｌａｔｎｅｓｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅａｌｃｏａｔｑｕａｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｒｒｙｓｅａｌ；ｐａｖｅｍｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｓｅａｌｃｏａｔ（上接第５３页）参考文献：［１］李国豪．桥梁稳定与振动［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００２：２５２～３６５．［２］钟善桐．钢管混凝土结构［Ｍ］．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，１９９４：１￣６０．［３］王元丰，许世杰．桥梁在车辆作用下空间动力响应的研究［Ｊ］．中国公路学报，２０００，１３（４）：３７￣４１．［４］刘绍云，王晓虹，杨春巍．浅析依兰牡丹江大桥设计、施工特点［Ｊ］．黑龙江交通科技，１９９８，（４）：３８～４１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒａｎａｌｙｓｅｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ－ｓｐｅｅｄｏｎａｌｏｎｇ－ｓｐａｎｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅａｒｃｈｂｒｉｄｇｅＬＩＵＳｈｕ１，ＷＡＮＧＺｏｎｇ－ｌｉｎ１，ＷＡＮＧＳｈｕ－ｔａｏ２（１．ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｉｇｈｗａｙａｎｄＢｒｉｄｇｅＧｒｏｕｐＢｒｉｄｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ（ＣＦＳＴ）ｍａｔｅｒｉａｌｈａｓａｌ－ｒｅａｄｙｇｏｔｔｈｅｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣＦＳＴａｒｃｈｂｒｉｄｇｅｗｉｔｈｖｅｈｉｃｌｅｓｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔａｔｔｅｎｔｉｏｎ．ＴａｋｉｎｇｔｈｅＹｉｌａｎ－ＭｕｄａｎｊｉａｎｇＣＦＳＴａｒｃｈｂｒｉｄｇｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｉｔｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅ－ｓｐｅｅｄｏｎｖｅｈｉｃｌｅ－ｂｒｉｄｇｅｌｉｎｋｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄｇｉｖｅｓｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｈｅＣＦＳＴａｒｃｈｂｒｉｄｇｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ－ｓｐｅｅｄ；ｌｏｎｇ－ｓｐａｎｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅａｒｃｈｂｒｉｄｇｅ；ｌｉｎｋｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｖｅｈｉｃｌｅ－ｂｒｉｄｇｅ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃ－ｔｏｒ。