浅论现行冲击系数存在问题与发展前景

摘要：冲击系数作为评定运行车辆的安全性与结构动力设计参数是否合理的指标越来越受到人们的重视,而各国现行规范冲击系数的计算均建立在不同的理论与试验基础之上.本文梳理了国内外冲击系数研究历程，总结了目前桥梁冲击系数的研究现状和计算方法缺陷. 展望未来，随着桥梁新结构形式、新技术以及车辆类型的飞速发展，冲击系数的研究也必将更趋于精细化、准确化。

关键词:桥梁工程；车-桥耦合；冲击系数；展望

中图分类号：U441.2 文献标识码：A

近年来公路交通事业的快速地发展，车辆行车速度的不断提高，导致交通密度日益增加，交通负荷逐渐加重，使得车辆与桥梁结构的动力相互作用问题越来越受到人们的重视。一方面，移动车辆对桥梁的动力冲击作用对结构的使用寿命和工作状态产生直接影响；另一方面，结构上运行车辆的安全性和平稳性又是评价结构动力设计参数合理与否的重要考虑因素。因此，学者们对车辆-桥梁动力相互作用（即车-桥耦合）系统进行综合研究，以便对桥梁的动力性能和桥梁上车辆的走行性做出动力分析和评估。而冲击系数是车-桥耦合中最重要的指标，故研究与对比分析冲击系数的不同原理及缺陷对推进冲击系数精确化具有重要的理论和实际意义。

1定义

移动荷载作用下的桥梁结构通常在空间横向、竖向、纵向三个方向都产生冲击、振动等动力效应。人们把竖向的动力效应称为移动荷载对桥梁结构的冲击效应。桥梁结构总的竖向动力效应()等于车辆荷载竖向静力效应()与其产生的动力效应之和。通常把车辆荷载竖向静力效应乘以一个增大系数()作为计入车辆荷载竖向动力效应的总竖向荷载效应，这也是国内外各种桥梁规范中常用的方法。即：

因此，冲击系数的定义为：在移动荷载作用下，桥梁结构产生的竖向动力效应增大系数。

2研究历程

2.1 国外冲击系数研究

对冲击系数的研究分理论研究和实验研究两种方法，由于实验研究方法需要大量的试验经费，而且试验周期大，经常需要中断交通，各国学者们更多地致力于理论上的分析。本文重点阐述理论研究历程。

R.Willis于1847年推导了不考虑质量的桥梁结构在移动荷载作用下的振动方程。1849年，他又分析了考虑移动质量通过无质量桥梁的振动方程。

1896年G G.Stokes K.P.Chatterjee等研究了桥梁结构在移动质量力作用下的耦合振动，推导了振动方程并求出了精确解。为车-桥耦合问题在数学研究上打下了坚实的基础。1911年，S.Timoshenko等分析了桥梁在移动简谐力作用下的振动过程，研究模型进一步接近实际情况。20世纪中期，计算机问世。J.M.Biggs第一次实现了车-桥耦合振动响应的数值积分方法求解。20世纪70年代，随着科技手段的进步，车-桥耦合动力响应的模拟实现了重大突破。计算机不但可以模拟复杂的桥梁模型、车辆模型，还可以对移动车辆的加速、减速、桥面铺装情况进行系统的模拟。P.Sean分析了桥梁结构在两轴车、三轴车动载作用下的动力响应。他认为单点集中荷载不适于做桥梁冲击系数的研究，而适合研究桥梁关键截面在不同车速下的弯矩变化情况。

2.2 国内冲击系数研究

冲击系数在国内的研究发展比较晚，而且很少有针对冲击系数专门的研究，但通过大量的工程实例和试验也积累了宝贵的资料。

上世纪60年代，李国豪教授研究了移动列车经过悬索桥时，桥梁引起的动力响应。随后又研究了拱桥在移动荷载作用下的动力响应问题。黄东洲、项海帆等人提出了桥梁振动的数值分析方法，针对公路桥梁做了大量的有价值的冲击系数研究。2000年，鲍卫刚等人从结构力学的角度分析了影响桥梁冲击系数的因素，并提出了两个新概念：冲击动力放大系数、路况系数，同时拟合了冲击系数的计算方法。2001年，长安大学的宋一凡、贺拴海教授将车辆模拟为“弹簧-质量”模型，他们的车-桥耦合振动模型还考虑了桥面不平整度、阻尼比、车速、桥梁基频对桥梁振动响应的影响。2003年，盛国刚等将简支梁桥模拟成平面梁模型，将车辆模拟成2轴1/2车辆模型，利用时变力学系统方法和振型叠加方法进行求解。2004年黄东洲把桥面铺装状况模拟成一个各态历经均值为零的平稳随机过程，车辆用空间3轴车模型模拟。2005年王解军等分别用二维梁单元和两轴车辆模型来模拟桥梁结构和移动车辆。他着重研究了在移动荷载作用下预应力简支梁桥的动力冲击效应。

随着科技手段的进步，车辆模型和桥梁模型越来越复杂，越来越接近实际情况。2010年史奇彬建立了ANSYS环境下的桥梁模型，并利用其中的APDL语言编制了用于研究冲击系数的车-桥耦合振动模块。该模块考虑了车体质量、车辆行车速度、车辆自振频率、桥梁自振频率、车辆阻尼比、桥梁跨数、桥面不平整度、车辆的行驶方式、桥梁刚度、下部结构形式等9个因素，实现了对车-桥耦合振动实际情况比较好的模拟，而且实现了模型参数化，计算更加简便、实用。

3缺陷分析

随着科技的进步，国内外对冲击系数的研究虽然有了巨大进步，但仍存在着缺陷：

1.各国现行规范大部分是在大量实测数据和理论研究的基础上制定的，但它仅仅考虑了桥梁基频或者跨境，没考虑到桥面不平整度、车速等诸多重要因素。

2. 冲击系数传统的计算方法是用车辆行驶过程中在桥梁的跨中位置处产生的最大动力响应来计算的。但是实际情况是桥梁并不一定刚好在车辆行驶在跨中位置处时达到最大动力响应，往往会有一定的“延迟”。

3. 研究中很少涉及到多梁式桥梁。桥梁实际工作状况下，即使同一辆车辆作用在相同的位置上，引起的各片梁的冲击系数也是不同的。

4研究前景及方向

过去的专家学者们做的关于冲击系数的研究都是关于跨径或者桥梁基频的函数。其实冲击系数作为车桥动力研究的核心内容，不仅与桥梁的跨径、基频有关，还和桥梁类型、桥面不平整度等诸多因素有关。本着精益求精的科学态度，我们不能笼统的把所有类型桥梁的冲击系数用一个计算方法来表示。

因此未来冲击系数的研究方向将会朝考虑如下因素方向发展：

（1）桥梁结构的动力特性(结构型式、几何尺寸、支承条件、桥梁质量和刚度的分布状况等)；

（2）车辆的动力特性(自振频率、轴数、轴重、轴间距以及由减振装置和弹簧中的摩擦装置阻力等)；

（3）车辆的行驶速度；

（4）车辆在桥上行驶的位置及其数量；

（5）桥头引道与桥面不平顺状况，桥头沉陷及伸缩装置的状况；

5结束语

随着交通行业迅猛发展，桥梁结构类型、跨径以及车辆形式吨位日益更新，人们对桥梁的安全以及行车舒适性能的要求将会更高，而人们对桥梁冲击系数也将越来越重视，对其研究将更具体，趋于细部化、准确化。

参考文献：

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,1996

[2]鲍卫刚,张海龙,刘菊玖.关于桥梁所承受的冲击力计算方法的研究[J].桥梁建设,2000,(1):24-26

[3]宋一凡,贺拴海.公路桥梁冲击系数的影响因素分析[J].西安公路交通大学学报,2001,21(2):47-49

[4]黄东洲.钢管混凝土拱桥冲击系数的实用计算方法[C].第十六届全国桥梁学术会议论文集（下册）.同济大学出版社,2004:387-395

[5]史奇彬.刚构-连续梁组合体系冲击系数分析方法研究[D].西安:长安大学硕士论文2010

[6]蔡军哲.简支T梁桥冲击系数计算方法研究[D].西安:长安大学硕士论文2011