公路桥梁车辆振动理论分析

摘要:公路桥梁车辆振动的理论经过了长期的发展进程,文章通过对该理论从古典理论向现论的分析,探讨了有关桥梁-车辆系统的特性。

关键词:桥梁-车辆系统;公路桥梁振动理论;匀速移动

中图分类号:U448文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)22-0057-02

交通运输业的发展、汽车运行速度和载荷大幅度提高、各种动力作用急剧上升,这些都使车桥振动响应有所加强。实践证明,车辆与桥梁相互作用,车辆运行激起车辆及桥梁结构的复杂振动,在不良的条件下,车桥振动可能引起货物破坏、桥梁损坏、司机旅客不适应等,更有甚者会造成车轮侧滑、翻车等交通事故。公路桥梁车辆振动既是老问题又是新问题,国内外学者从未停止对它的研究。主要原因有两个:首先,桥梁逐渐向轻型、细长化发展,与此同时交通量的不断增加,公路桥梁的安全与更多的人息息相关,使人们越来越关注桥梁车辆振动问题;其次,桥梁在行驶车辆作用下的振动受多种因素的影响。

1公路桥梁车辆振动理论

公路桥梁在车辆通过时的振动研究已有二百多年的历史,经历了从古典理论向现论转化的过程。振动问题是指当扰动频率与体系的某一阶固有频率相等时所引发的共振。移动车辆荷载作用,由于荷载是移动的,而且车辆荷载本身是一个带有质量的振动系统,造成桥梁-车辆耦合系统的动力特性随荷载位置的移动而不断变化,车辆荷载在桥上通过的时间有限,其结果是共振条件只能在短时间内满足。这就造成了桥梁的车辆振动问题的复杂性,给理论分析带来了极大的困难。在车辆移动荷载作用下,桥梁所产生振动,冲击等动力效应,工程界所关注的是如何从理论上确定移动车辆荷载下公路和桥梁之间的动力响应。

1.1早期的公路桥梁振动理论

计算机问世之前,有关桥梁车辆振动的分析只能用简化的桥梁-车辆模型来进行类似的定性分析。

1.1.1匀速移动常量力由于不考虑荷载的质量、计算简便,在计算机问世前显出它的简单实用。车辆通过桥梁,虽然其运动是复杂的,但我们将车辆的重力看作是一个常量力来加以讨论,将车辆的运动分解并简化,可以快速评定建造的公路桥梁O相关问题。不计质量的匀速移动常量力理论,无论是在过去还是现在对于分析桥梁-车辆振动都很有意义。据EMPA对简支梁桥基本周期的实测统计,移动常量力来计算桥梁的振动是很合理的,但是由于不考虑荷载质量,因而利用该理论的计算结果是近似的而不是准确的,因而对实际桥梁的振动问题还不能真实地进行反映,相对于现代的一些大跨度轻型桥梁,该理论的应用受到限制。

1.1.2匀速移动的簧上质量比格斯的研究不断地研究出接近于真实车辆情况的各种车辆模型,并将其应用于车桥振动分析中,使桥梁-车辆振动理论日趋完善。他开创了车桥振动系统研究的新天地,开始引起人们对于车辆荷载的实际振动情况和实际模型的关注。比格斯的理论虽未提及路面不平度的影响,但是在实践中该理论不断得到发展修正。

1.1.3匀速移动简谐力尽管车辆对桥梁施加的荷载是一种非平衡的、随机的过程,但经过研究还是会存在某些规律。汽车在发生跳车现象后以车辆的固有频率发生振动通过桥梁,此时车辆弹簧部分的惯性力即是一种移动的简谐力。桥梁-车辆振动分析的简化计算中,车辆激励作用的外拉力,发动机及轮的激励均可视为简谐力。对于移动简谐力,动力放大因子取决于移动速度,速度越小,通过全部桥梁的时间就会越长,进而振动反应也就越大。尽管移动简谐力理论不能如实地反映车辆荷载的振动情况,但它却反映了车辆荷载的某些规律,而且还对现论的形成及分析方法存在影响,因而现在这项理论也会被经常运用。

1.1.4匀速滚动质量当荷载质量与桥梁的质量相比很小时,利用移动常量力理论求得近似解,但是对于现代的一些大跨度轻型桥梁,车辆荷载的质量与其相比不能忽略,利用滚动质量理论进行分析是合理的。该理论通过,该理论的一个缺陷是假设荷载质量在移动过程中始终与桥梁保持接触,而这与实际车辆行驶情况是不相符合的。

1.2现代的公路桥梁振动理论

有限元法和计算机的问世使得70年代起的现代桥梁车辆振动分析理论得到了较大的发展。以接近真实的车辆模型、将桥梁理想化为多质量的有限元模型为主要特点,人们关于公路桥梁的研究通过比较真实地模拟桥梁-车辆系统,对车-桥振动问题作数字仿真,同时着重研究公路桥面平整度对荷载动力效应的影响。

1.2.1多轴车辆1970年Huang和Veletsos所提出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,并将载重货车理想化为带有摩擦装置的平面三自由度模型。模型的结构更加接近于真实的振动运动,经过理想化的车辆荷载模型接近于真实车辆,因而便于计算。随着有限元法在实际运行中的广泛应用,这种车辆模型在桥梁-车辆振动系统分析中得到了广泛的发展。

1.2.2三维汽车模型澳洲昆士兰理工大学的谭国辉、巴梅特G H、汤比勒DP在MiuerCM的研究基础上动力学分析的角度推导出三维汽车模型。该理论提出将二维的格栅桥梁与三维的汽车组合起来模拟二者之间的相互作用,将桥梁结构比拟成一个网络的集合,该理论从空间结构着手分析了桥梁-车辆系统之间的相互作用,因而能有效地反映系统相互作用的真实特性。由于未考虑阻尼效应的影响,计算结果只能近似于于真实的情况。尽管相关的计量方法是格栅桥结构专门设计,但在实际的应用中可推广应用到其他的桥梁结构。

2公路桥梁车辆振动的特点

2.1梁式桥车辆振动特性

梁式桥种类很多,是公路桥梁中最常用的一种桥型,其跨越能力可从20～300m之间。公路桥梁常用的梁式桥可按不同标准进行分类:一方面按结构体系分为简支梁、悬臂梁、连续梁、T型钢构、连续钢构等;另一方面按截面形式分为T型梁、槽型梁、衍架梁等。梁式桥跨径大小是技术水的重要指标,一定程度上反映一个国家的工业、交通、桥梁设计和施工各方面的成就。这种桥梁具有就地取材、耐久性好、适应性强、整体性好等许多优点。

目前,我国中小跨径公路桥梁、城市桥梁大部分是钢筋混凝土梁式桥。梁桥振动分析方法是其他体系桥梁动力分析的基础,可以作为其他体系桥梁的振动分析依据。有关梁桥振动方程的力学原理常用的有拉格朗日(Lagrange)方程、达朗伯(D. A1embert)原理和哈密尔顿(Hamitton)原理。利用结构动力学知识采用结构的离散坐标体系提供了一个方便而实用的方法,进而对对任意结构的动力响应进行分析。但是,所得到的解答只能是近似解而不是准确值。

2.2拱式桥公路车辆振动特性

拱式桥因其造型美观、结构轻巧、跨越能力大,被广泛应用于桥梁、水利等建筑工程,具有悠久的历史,是公路桥梁的基本形式之一。拱桥在竖直平面内的挠曲振动和垂直于该平面的侧向弯曲――扭转振动就可以分开来单独处理,从而使公路桥梁-车辆的振动问题得到简化。作为公路桥梁的一种重要形式,它本身不但具有显著的经济意义,而且美丽的外形深受人们喜爱。拱式桥在发展历史中,由于钢筋混凝土的优点以及钢筋混凝土的普及,石拱桥逐渐让位于造价较低、施工速度较快的钢筋混凝土拱桥。为减小拱的截面尺寸、减轻拱的质量,在混凝土中配置有受力钢筋的,称之为钢筋混凝土拱桥。钢筋混凝土拱桥可以通过选择合理的拱式体系及突出结构上的线条来达到美的效果,因而在建筑艺术上也易于处理。

近几十年来,科技的迅猛发展、有限单元法的创立,给拱桥的动力分析带来了革命化。一定条件下,近似解析法所提供的实用计算公式以其简单的形式、明确的物理概念、足够的工程精度等突出优点而为工程技术人员所乐于采用。因而拱式桥也是公路桥梁-车辆等现行规范中许多近似公式的理论基础。

3有关桥梁-车辆振动理论的小结

古典理论只考虑了单个自由度荷载作用在简支梁上的有关动力作用问题,因而在使用上受到了限制。经典车桥振动理论为研究车桥系统的相互作用做出了不可磨灭的贡献,作为简化计算,快速取得结果的桥梁承载能力分析的手段理论,现在的研究中依旧会得到使用。

现论虑了行车速度、荷载质量、路面不平整等因素对车桥系统相互作用的影响,通过借助计算机分析和有限元法技术,能够更加真实地模拟车辆和桥梁的性态。现论能够更加真实地揭示了整个系统的动态性能,对车桥振动系统的相互耦合作用施与更多的关注。

技术手段的限制使得古典理论、现论只是近似地反映桥梁-车辆振动系统的动态性能。

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