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）