公路桥梁车桥耦合振动研究

【摘要】近年来，我国路桥工程建设为交通行驶创造了优越的环境，推动了地区之间的经济文化交流，促进了国民经济收入水平的提高。与发达国家相比，国内路桥施工技术相对落后，对动力学理论研究不足误导了后期作业秩序，限制了路桥结构性能的充分发挥。“车桥耦合振动”现象是路桥交通的常见现象，若控制不当则会影响路桥的使用寿命及运行状态。针对这一点，本文分析了影响车桥耦合振动的相关因素，并通过计算机建立自动分析平台，为路桥交通的正常运行提供了帮助。

【关键词】路桥；耦合振动；成因；处理对策

中图分类号： U448.14 文献标识码：A 文章编号：

耦合振动是动力学理论中研究的重点，对不同物体在不同状态下的受力情况进行了详细地分析。车桥耦合振动是由于车辆与路桥结构之间产生相互的力作用，两种受力荷载大小相同时易产生车桥耦合振动现象，约束了路桥结构性能的正常发挥，不利于交通行驶的安全运行。工程单位在维护路桥工程阶段，应加强车桥耦合振动的分析，结合具体原因制定有效的控制对策。

一、车桥耦合振动研究的现状

从本质上看，车桥耦合振动是一种相互性的力学作用，力学作用控制不当会限制路桥性能的发挥。车辆过桥时会引起桥梁的振动，桥梁的振动反过来也会影响车辆的振动，即形成车桥耦合振动问题。当前，我国公路交通运输的全面提速，为了有效的对既有桥梁运营状态进行评估，以及对新建、改建桥梁进行优化设计，均需对车辆过桥时的车桥耦合振动问题进行分析[1]。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。车辆和桥梁间力学作用形式多样，会呈现出不同的动力特点，如：车辆的动力特性，车型、阻尼、自振频率等；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；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。而计算机仿真模拟是目前最方便、最快捷、最经济的计算分析方法。

二、计算机力学模型研究的优点

从长远角度考虑，选择一种通用性强、应用性广、开发前景广阔的研究模式，分析车桥耦合振动响应具有多方面的意义。由于车桥耦合振动属于力学理论研究的范畴，其在分析时必须要结合力学模型，以保证研究结果的准确性。计算机操作系统在数据处理方面具有明显的优势，通过计算机平台建立力学模型，帮助研究者更加深入地分析耦合振动情况。数据库是计算机中存储信息的主要区域，为了保证车桥振动时力学数据得到准确地计算，应利用数据挖掘功能进一步分析力学模型，以获得与耦合振动相关的力学参数。从实际操作情况看，数据挖掘的优越性表现：一是高效性，由于采用了计算机操作平台，调用数据库资源显得更加便捷，数据挖掘有助于数据操作效率的提升；二是时效性，与传统观数据处理模式相比，数据挖掘采用了自动化处理平台，短时间内可完成数据信息的检查审核工作[2]。数据挖掘具备了这些优势，为其在车桥耦合振动中的运用创造了有利条件。

三、车桥耦合振动的自动分析流程

建立计算机力学模型之后，还应编制一套符合路桥工程实际情况的自动分析流程。通过对各个参数值的有效处理，获得自动化分析报告及结果，可指导施工单位对公路桥梁实施科学的改造，防止车桥振动造成结构性能方面的损坏。但是，车桥耦合振动在分析时要经过复杂的处理过程，如果依旧采用传统的研究方法则无法获得准确的结果。针对已经建立的力学模型，运用数据挖掘功能设计一套自动分析流程。

1、力学分类。公路桥梁在交通行驶阶段承受的力学荷载复杂，研究车桥耦合振动必须了解具体的受力情况。数据挖掘功能可以对车桥耦合振动的情况进一步划分归类，按照力学模型的研究内容分类别处理[3]。自动化力学分类降低了数据处理的难度，提高了车桥振动受力判断的准确性。

2、振动分析。振动分析是力学模型研究的核心环节，结合数据挖掘捕捉与耦合振动相关的参数，为受力分析提供可靠的依据。如：荷载方面，数据挖掘功能对车桥耦合振动中的荷载大小检测，确定车桥的安全系数；幅度方面，深入分析并挖掘耦合振动的幅度大小，计算出路桥结构的承载状态。

3、结果显示。经过一系列的数据处理流程，数据挖掘功能利用计算机操作平台，可以把公路桥梁耦合振动研究的结果及时反映出来。如：检查耦合振动后，数据挖掘模块自动生成信息报表，并且及时反馈给研究者。通常，车桥耦合振动的结果显示有两种，即：数据、图形，可根据具体的要求制定结果报表。

四、影响车桥耦合振动的因素及处理

国内交通事业持续发展背景下，公路桥梁工程的交通价值得到了充分的体现。另一方面，因国内工程施工技术相对落后，车桥耦合问题未能得到根本性地解决，不利于多功能交通体系的建立。本次研究中，通过计算机建立自动分析平台，从多个角度反映了车桥耦合振动的具体情况。并且以力学模型为参照对象，更加准确地判断出影响车桥耦合振动发生的主要原因，工程单位结合振动因素可设计有效的控制方法。

1、荷载因素。荷载高低决定了耦合振动幅度的大小，车桥耦合振动实际上是受力荷载达到一定程度所产生的结果。无论是车辆荷载或者路桥荷载，只要有一方荷载偏大则不会发生耦合振动，如：车辆行驶的荷载大于路桥结构的荷载，受力方向向下，抑制了路桥的振动幅度[4]。但是，当路桥结构的自振频率与车辆的荷载频率处于同一值，两种荷载大小互不抑制，变会产生受力共振现象。车辆、路桥的荷载越大，受力共振的幅度越大，对建筑结构的破坏力也更大。处理这一问题，应从桥梁结构设计方面实施改进，设计出质量轻、结构少、性能强的公路桥梁结构，以防荷载浮动产生的耦合振动。

2、路面因素。路面是公路、桥梁承受荷载的主要部分，大部分受力作用均由路面结构承担。我国路桥工程建设规范，对路面平整度制定了严格的标准，每一种路面必须达到规定的“平整度”要求，才能正式通车行驶。由于施工单位在作业期间未对路面平整度综合检测，导致平整度达不到标准，为车桥耦合振动创造了条件。如：平整度偏差的路面，车辆行驶易产生颠簸，车身持续上下运动便发生振动现象。为了防止平整度因素造成的破坏，路桥施工期间应制定合理的质量管理方案，对平整度定期检测，严格控制路面的平整性。

3、车速因素。研究车速大小对车桥耦合振动的影响，重点研究的对象是高速公路行驶，车辆处于高速行驶状态下能清晰地反映振动状态。根据计算机力学模型分析的结果，车速越大，车桥系统动力荷载越大，耦合振动现象越严重。这是由于车辆在高速行驶状态下，竖向加速度在短时间内逐渐提高，车身起伏颠簸的幅度越大[5]。高速行驶引起的耦合振动不仅破坏了路桥的工作性能，减短了其使用寿命，也极易造成交通事故。因此，驾驶人员合理控制车辆行驶的速度，使横向、纵向荷载得到控制，有效防范了车辆耦合振动的发生。

结论

综上所言，车桥耦合振动是公路桥梁常见的受力状态，其本质上属于非正常的路桥受力，长时间处于车桥振动模式会破坏建筑结构的完整性。基于计算机的耦合振动模型辅助了研究人员的分析工作，确保车桥振动分析结果的科学性。工程单位在建设期间，要根据影响耦合振动的具体因素制定受力控制措施。

【参考文献】

[1]冯永云.单车荷载下简支梁桥的动力特性和响应的试验研究[J].安徽交通科技，2011，28（15）：43-46.

[2]贾娜.影响车桥系统耦合振动的因素分析[J].振动与冲击，2011，32（11）：71-72.

[3]梅秋雨.公路桥梁车桥耦合振动的防治处理[J].重庆交通学院院报，2010，19（6）：54-56.

[4]章建平.路桥车辆振动问题及动力荷载的研究[J].桥梁建设，2009，28（16）：8-10.

[5]李忘言.研究公路桥梁结构受力失衡的不利影响[J].中外公路，2011，33（18）：23-25.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。