高速公路大跨度连续刚构桥车桥耦合振动分析
摘要：综述了大跨连续刚构桥的结构特点及发展现状，并介绍了研究梁桥的强迫振动问题的简化的计算模型。结合目前相关研究，重点探讨了车辆类型及荷载、速度以及路面不平度对对桥梁动力响应的影响。
关键词：大跨度连续刚构桥；动力响应；耦合振动
随着公路交通事业的迅速发展，车辆与桥梁结构的动力相互作用越来越受到重视。车辆和桥梁间的相互作用的影响因素复杂[1]：
1)车辆的动力特性(车型、阻尼、自振频率等)；
2)桥梁结构的动力特性(质量与刚度分布、桥跨结构形式、材料阻尼等)；
3)桥头引道和桥面的平整状态、伸缩缝装置及桥头沉陷的状况。
1大跨连续刚构桥的结构特点及发展现状
经济的腾飞助推了高速公路建设的蓬勃发展，随着悬臂节段施工法(包括悬拼和悬浇)、高强混凝土技术和大吨位后张预应力技术的不断发展，大跨径桥不断出现。而连续刚构桥利用主墩的柔性能适应桥梁较大的纵向变形，特别适用于高墩大跨连续梁桥中，以其独特的优势得到了迅速发展。连续刚构桥梁墩固结、梁体连续，既保持了行车平顺、连续梁无伸缩缝的优点，又保持了T型刚构桥不需转换体系和不设支座的优点，这方便悬臂施工，且顺桥向具有很大的横向抗扭刚度和抗弯刚度，能满足特大跨径桥梁的受力要求。
2梁桥的车辆强迫振动
汽车在过桥时，由于车辆自身轴重及速度效应，会引起桥梁结构的振动。当桥跨结构自振频率与移动车辆形成的外荷载频率相等或接近时，会引起车桥系统的共振，对桥梁的工作状态和使用寿命产生直接影响。然而，由于车、桥的耦合作用及许多参数的不确定性，使得梁桥的强迫振动问题变得非常的复杂。
3车桥耦合振动影响参数分析
由于影响车桥振动的因素很多，通过桥梁的车辆类型、车辆荷载的流量大小、行驶速度、车辆的行驶位置、车辆间距、轴重、车辆的动力持性等均有明显的随机性，是无法预知的。本文从有关文献资料来看，影响桥梁结构动态特性的主要有以下几种：
3.1车辆类型及荷载对桥梁动力响应的影响
不同的车辆的动力特性以及车辆的竖向和横向自振频率不同，车桥耦合系统动力响应及冲击系数有明显差异。如张黎明研究了不同车辆类型对桥梁中跨跨中动力响应的影响。其结果表明桥梁的动力响应受车辆类型影响显著。具体结果见下表。
表1.不同车型工况下中跨跨中动力响应及冲击系数[4]
从上表知，栋梁在厢式货车作用下的加速度响应和中跨跨中竖向位移响应都大于福特汽车作用时。从桥梁的竖向加速度响应分析可以看出，厢式货车竖向加速度RMS值（0.008）明显大于小汽车（0.004）。车体横向加速度和竖向加速度随着行车位置改变而改变，并不一定出现在车行至桥梁跨中处。笔者认为引起诸如上述差别可能不仅与车辆类型有关，可能由于车辆荷载也有直接关系。Kawatnazli[5]研究了桥梁动力反应的标准差RMS及移动车辆的特征对桥梁车辆振动反应的影响。结果表明，在20t车辆荷载作用下，外梁响应力反应的RMS值小于内梁的RMS值；然而，当在25t车辆荷载的作用下，荷载位置在大约跨径的3/10时，外梁应力反应的RMS值大于内梁的。结果还表明，路面粗糙度的参数对车桥振动反应的影响非常显著，即使在考虑扭转振动的情况下亦是如此.
3.2车辆速度对车桥系统动力响应的影响
车辆过桥速度对桥的影响受到众多学者关注。当车辆过桥速度较大时，车体的最大竖向加速度一般也随着增大，颠簸程度较厉害，但桥的最大扰度并不一定是单调增加的。车体竖向加速度的变化直接指示着行车的颠簸程度，所以日常生活中，我们可以通过减缓行驶速度来减少车体的颠簸程度，从而提高行车的舒适度。但是车在桥上行驶的时间相对较短，使得颠簸的次数减少，同时车体竖向位移及竖向加速度随着行车位置改变而改变。车辆的各项动力响应并不是随着速度的增加而增大，换句话说，车辆的各项动力响应不与速度成正比关系。瞿伟廉[6]通过建立了车辆的桥梁的模态模型和三维离散自由度模型，对万州长江大桥的车桥耦合振动进行了研究。结果表明当车速为80km/h到100km/h时，无论是桥梁还是车辆，其动力响应并没有因车速的变化而产生较大的影响，只是略有增长，其中对桥梁跨中横向位移影响最小，而桥梁跨中横向加速度变化比较明显。
3.3路面不平顺对车桥系统动力响应的影响
路面不平顺是施工过程中一些难以人为控制的偶然因素造成的，如气候、环境、施工、材料等以及交通重复荷载的作用而形成的。地面表面的崎岖不平在公路和机场工程中被称为不平度。实际上，从空间尺度上来讲，任何不规则的表面，小到几个毫米的村料表面，大至地面纵向成百上干米的高低起伏的地貌都应属于不平度的范畴
据研究，车身固有频率在60～85次/min(1～1.4Hz)内，人的感受较舒适，当f≥150次/min时，人有明显冲击感觉，而f≤40次/min时，人有晕船的感觉。车辆行驶过程中，除了以上几个参数外，桥面平整度也会直接影响车桥耦合振动，当这种振动达到一定的程度，乘客会感到疲劳和不舒适。路面不平顺对车桥系统耦合振动影响较大。从计算的角度来看，若不考虑桥面平整度，则得出的动挠度值明显小于考虑桥面平整度时的动挠度值。张黎明在其硕士论文中分别采用光滑、A、B、C四种路面，研究不同路面等级对车桥系统动力响应的影响。结果如表2.。
表2.不同路面等级下车辆动力响应[4]
从表2.可以看出，桥面不平顺状态是改变车辆动力响应的一个重要因素。随着路况的变坏，车体竖向振动显著增大，车体的竖向加速度响应也随着路况的恶化迅速增大。C级路面竖向加速度最大值是A级路面的4倍左右。车辆的动力响应主要由路面不平顺和桥梁变形两部分激励综合作用产生。桥梁变形对车辆动力响应的贡献较小，而车体的动力响应主要还是由路面不平顺控制。随机不平顺对桥梁冲击响应影响也带来较大随机性，同时桥面不平顺和车速激励频率与车桥耦合系统固有频率接近会使桥冲击响应显著增大。有研究表明，影响桥梁冲击系数最重要的两个因素是列车上桥的初始条件和轨道不平顺，车辆初始运动以及轨道不平顺引起的冲击系数分别占桥梁冲击系数总值的40%左右，两者之和大约占桥梁冲击数系的80%。
4结语
综上所述，影响车桥系统耦合振动的因素众多且具有随机性。本文主要探讨了车辆类型及荷载、速度和路面不平度对车桥系统动力响应的影响。一定范围内车速对舒适度有显著影响，同时路面不平顺对车桥系统耦合振动影响较大。因此，提高路面等级或加强路面养护能有效地提高车辆的行驶平稳性，延长桥梁的使用寿命和改善车桥耦合动力相互作用。
参考文献：
[1] 王永平,陈彦江,付金科.单车荷载下简直梁的动力特性和响应的试验研究[J].土木工程学报,1995,28(5):39-46.
[2] 宋一凡.公路桥梁动力学[M].北京:人民交通出版社,2000.74-94.
[3] 张黎明.大跨度连续刚构桥车桥藕合振动研究[D].成都,西南交通大学.2007.
[4] Kawatani，M.，andKOmatsu，.Nonstationaryrandomresponseofhighwaybridgesunderaseriesofmovingvehicles，StruturalEngineering/EarthquakeEngineering，JSCE，5(1988)，No.2，285-292.
[5] 瞿伟廉,刘嘉.万州长江大桥车桥耦合振动的研究[J],华中科技大学学报(城市科学版),2004,9(21):1-4.
