汽车制动作用下预应力混凝土简支梁桥的动力响应及冲击系数研究

摘要：基于三维车桥振动模型研究了汽车制动对桥梁的冲击作用.选用一辆典型三轴重车模型，获得了汽车制动时预应力混凝土简支梁桥的跨中动力响应及冲击系数.研究了刹车位置、减速度、初速度、路面平整度、桥跨长度等因素对动力冲击系数的影响，并将计算得到的动力冲击系数与中国规范进行了对比.结果表明，汽车刹车对桥梁的冲击效应随着制动力的增大而增大，并且在桥梁前半跨内刹车产生的动力冲击效应要大于在后半跨内刹车.同时，汽车制动时桥梁的动力响应及冲击系数均明显大于车辆匀速行驶的情况，且冲击系数可能超出规范值.

关键词：汽车制动；三维车桥模型；动力响应；冲击系数；简支梁桥

中图分类号：U441.3 文献标识码：A

目前，在车桥系统动力分析中将车辆假定为在桥上匀速运动的研究已经比较成熟[1-4]，而对于车辆荷载在桥上变速移动（刹车或者加速）下桥梁动力响应及冲击系数的研究较少，且模型比较简单，不能准确模拟汽车变速行驶下桥梁的真实响应.在已有的考虑汽车变速效应的车桥耦合振动的研究中，Law和Zhu，方志等均是将桥梁简化为简支梁，将车辆荷载简化为集中荷载或简化的平面车辆模型；Gupta 和 TraillNash 将桥梁简化为梁单元和正交各向异性板两种模型进行车桥耦合振动的研究，结果显示将桥模拟为板单元得到的动力冲击系数比用梁单元得到的小，因此指出对复杂的车桥系统进行动力研究时有必要采用更精确的二维或三维桥梁模型.此外，殷新峰和方志的研究发现汽车刹车产生的动力冲击系数可能会超过规范值.然而，在他们的研究中桥梁采用的是梁单元模型.

基于以上研究状况，本文建立了更加精确的三维有限元车桥模型研究汽车制动下的车桥耦合振动.选用一辆典型三轴重车模型获得了汽车制动时混凝土简支梁桥的跨中动力响应及冲击系数.对影响动力冲击系数的几个重要因素，如刹车位置、减速度、初速度、路面平整度及桥跨长度等进行了研究，并将计算的动力冲击系数与我国现行规范值进行了对比.

1车辆、桥梁及路面平整度

1.1车辆模型

本文选用了文献[2]中的典型三轴车辆模型.该车总质量32.63 t.因重车为实际桥梁上的控制车辆荷载，故研究重车作用下的动力冲击系数.图1为车辆模型示意图，表1为其详细参数.

1.2桥梁模型

本文所用的5座预应力混凝土简支梁桥跨度为9.14～39.62 m.每座桥的宽度均为9.75 m，桥面板厚度为0.2 m.不同跨径的桥梁的高度和横截面均按规范设计.表2列出了5座桥的基本信息以及根据规范公式获得的动力冲击系数值.基于Ansys14.5平台，采用精度高的3D实体单元solid45建立5座桥梁的有限元模型，具体建模过程和模型细节见文献[4].图2为桥梁横截面及车辆加载位置，其中车辆沿车道2正中行驶.

5结论

本文利用三维车桥模型研究了汽车制动下的车桥耦合振动.获得了典型三轴重车在混凝土简支梁桥上刹车时桥梁的跨中动力响应及冲击系数，讨论了刹车位置、减速度、速度、路面平整度及桥跨长度对冲击系数的影响规律.得出以下主要结论：

1）汽车制动时桥梁的动力响应及冲击系数均明显大于车辆匀速行驶情况，且增长幅度随着减速度绝对值的增大而增大.

2）车辆在桥前半跨内刹车的动力冲击系数值大于在后半跨内刹车的值.

3）速度对动力冲击系数的影响较复杂.动力冲击系数并不随车速的增大而单调递增或递减，这与车辆匀速的情况类似.

4）路面平整度对动力冲击系数的影响显著，匀速与刹车情况下动力冲击系数均随着路面平整度的变差而增大；当路面平整度等级为差时，匀速行驶时的动力冲击系数的绝大部分值及汽车刹车时的全部冲击系数值均超过规范值，故维护桥面状况对于减少车辆的动力冲击效应具有很重要的意义.

值得注意的是，本研究发现，在若干工况下，车辆匀速行驶时的冲击系数满足规范要求，而相应的刹车作用下的冲击系数则超出了规范值.因此，在桥梁评估时必须考虑到汽车刹车作用对冲击系数的影响.本文的研究结果可以为工程实践中评估混凝土简支梁桥时动力冲击系数的采用提供一定的参考依据.

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