公路桥梁与车辆耦合振动研究现状与发展趋势探究

公路桥梁与车辆耦合振动研究现状与发展趋势探究

发表时间：2018-06-05T15:37:22.220Z 来源：《基层建设》2018年第11期作者：温海珍[导读] 摘要：经济全球化的发展，虽然我国经济在与各国经济的竞争中取得了显著的成就，但暴露出的交通物流等方面的问题成为我国经济发展的短板。与交通物流息息相关的因素可归为两个方面：第一方面为运输工具，即各类车辆的总称。

身份证号码：45212419850701xxxx 广西南宁 535008 摘要：经济全球化的发展，虽然我国经济在与各国经济的竞争中取得了显著的成就，但暴露出的交通物流等方面的问题成为我国经济发展的短板。与交通物流息息相关的因素可归为两个方面：第一方面为运输工具，即各类车辆的总称。第二类为交通工具的载体，即本文讨论的主体“公路和桥梁”。现阶段，公路和桥梁建设的速度远远赶不上交通工具普及的速度。车辆与公路桥梁耦合振动造成的公路和桥梁的

损伤已成为制约物流发展的主要方面。因此，分析公路桥梁与车辆耦合振动研究现状与发展趋势具有重要意义。

关键词：公路桥梁；车辆耦合振动；现状；发展趋势汽车以一定的速度过桥时，由于车辆轴重及速度效应，会引起桥梁结构振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的运行。桥面不平整、桥头引道等因素的存在以及车辆各旋转部分的作用，更加剧了桥梁和车辆之间振动的相互影响[1]。这种相互作用、相互影响的问题就是公路车辆与桥梁之间振动耦合的问题。当公路车辆的振动频率与桥跨的振动频率一致时，即形成共振。本文主要对公路桥梁与车辆耦合振动研究现状与发展趋势进行探究。

1.公路桥梁与车辆耦合振动研究现状

由于实际中车桥耦合振动系统本身的复杂性，并且车型和桥型的种类繁多，以及引起振动的各种激振源的随机性，古典理论显然不能全面合理的模拟车桥耦合振动问题。直到20世纪60年代~70年代以后，电子计算机和有限元方法的问世和发展，使得车桥耦合振动的研究有了飞速的进步。人们可以建立比较真实的车辆和桥梁的空间计算模型，然后用数值模拟法计算车辆和桥梁系统的耦合振动效应。

现代车桥振动理论以考虑更接近真实的车辆分析模型和将桥梁理想化为多质量的有限元或有线条模型为主要特点，同时，着重研究道路路面的不平整对荷载效应的影响，对于车辆加速、制动减速效应等复杂的随机因素也进行了一些研究[2]。除简支梁桥之外，连续梁桥、悬索桥、斜拉桥等也逐步涉及。到目前为止，人们对简支梁桥的车桥共振问题的理论和实验研究己经比较系统化，对其它某些桥型，像连续梁桥、索承桥、污工拱桥，也有一定程度的研究成果。 1970年，Veletsos和Huang等早期研究者将桥梁理想化为具有集中质量和粘性阻尼的有限自由度梁，考虑了二维平面多轴拖车荷载作用。Chatterjee和Datta把桥梁理想化为正交各向异性板和集中质量分布模拟的梁，分析简支梁桥上车辆刹车和其初始弹力的影响。 1987年，毛清华在其博士论文中，对公路汽车荷载作用下的山东胜利大桥(跨度280m)的动力效应进行了理论分析和试验研究。其将斜拉桥理想化为弹性支持连续梁模型，考虑一辆STEYR-1491型多轴载重汽车匀速过桥时在跨中受到高70mm的半正弦波(模拟路面不平顺的影响)，计算出斜拉桥跨中截面弯矩反应时程曲线，得到弯矩的动态增量为0.29，与实测值接近。 1992年，Wang T L和Huang D Z研究了一座主跨为128m的公路斜拉桥的车桥耦合作用。桥梁模拟为平面杆件系统，考虑桥梁恒载的几何非线性影响；汽车模拟为7个自由度的3轴车辆分析模型，并考虑车辆悬挂系统的非线性；路面采用随机数值方法根据公路路面粗糙度功率谱密度函数模拟出好、一般、差三种公路路面，运用振型叠加法求解车桥系统的振动响应以及冲击系数。研究表明，在非常好的路面情况下，斜拉桥各位置的冲击系数在车辆25km/h―120km/h范围内均小于20，但是冲击系数随着路面粗糙度的增加而增大。此外，斜拉桥在墩底及靠近桥塔的主梁截面产生较大的冲击系数，而在靠近主跨跨中的主梁截面中引起的冲击系数较小。 2000年，我国学者林梅、肖盛燮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[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。 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。

2.车桥耦合振动研究的发展趋势

2.1车辆分析模型的进一步完善

近年来各国学者在建立合理的车桥相互作用的模型方面进行了大量的研究。但是，大多仅限于二维平面内的分析，而对于车辆动载产生的空间效应却很少涉及，主要是因为考虑空间效应的车桥相互作用问题更加复杂。虽然在二维平面内的简化模型对于支配振型为纵向弯曲的桥梁是准确的，但实际中有不少桥梁还呈现扭转与横向弯曲振型，如按照二维模型分析，则弯曲基频不能给出准确的动荷载增量。车辆的竖向振动模型、横向振动模型和空间振动模型都值得进一步研究。

2.2车桥随机振动研究和动力可靠度问题

国内以前对桥梁的设计计算多采用确定性分析方法，即认为桥梁所受的力均是确定性的，因此，桥梁在荷载作用下的响应也是确定性的。然而实际中，作用于桥梁上的各种力及桥梁自身的各种响应包含了许多不确定性因素——随机因素，如桥梁上通行的汽车的车型、重量、速度、车距和桥面的不平整、作用于桥上的风载、水对桥墩的冲击力、地震动等以及桥梁材料的不均匀性、施工过程中的误差、车辆加速和制动减速效应等等。因此，有必要对车桥系统随机振动进行分析。

2.3冲击系数的进一步研究

在我国现行的桥梁设计规范中，都是以冲击系数来描述移动车辆-桥梁系统相互作用的强迫振动和车辆对桥梁的动力冲击效应。采用冲击系数描述车辆荷载对桥梁的动力作用出于两方面的便利： 1）关系简单，便于设计中应用；2）很少发生由于车辆荷载作用而直接导致的破坏。但是，使用冲击系数也有明显的缺点：1）我国现行的桥梁设计规范将汽车荷载分为四个等级，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；2）实际中，冲击系数与跨径关系的离散性很大，因而将冲击系数表示为跨径或加载长度的函数是不尽合理的；3）对于桥梁各个不同的部位，车辆荷载作用下的冲击效应也不一致，特别是大跨桥梁的某些部位，如斜拉桥的拉索、拱桥的吊杆等，因车辆振动荷载引起的冲击效应远远大于整体结构的冲击效应。因此，进一步深入研究车桥振动的冲击系数，使其更加合理，为工程实际提供更可靠的参考，具有重要的理论意义和实用价值。