行车速度对简支梁桥动力响应的影响分析

周密

【摘要】 随着社会的发展，桥梁的形式也越来越复杂，对行驶车辆作用下桥梁振动特性的研究，一直是人们热心关注的问题。车辆通过桥跨结构会激起桥梁的振动，这种动力放大作用会影响桥梁的正常使用和寿命。文中通过有限元时程分析方法，研究了桥梁在不同行驶速度的车辆荷载作用下的动力响应，分析了车速对桥梁动力响应的影响，并探讨了行车速度与冲击系数的关系，以此为桥梁上车辆的限速问题提供理论支持。

【关键词】 速度 动力分析 冲击系数 车辆荷载

1 引言

随着现代公路交通建设的飞速发展，各种交通车辆的数量迅速增长，车辆的行驶速度和载重量也有很大提高。不断增长的高速、重载汽车与众多服役期满或损伤较为严重的桥梁承载能力不足之间的矛盾日益突出。近年来，随着轻质高强材料和新型结构的应用，桥梁结构不断向着轻型化方向发展。这些因素使得汽车动荷载在桥梁承受的荷载中所占的比例越来越大。在行驶车辆作用下，桥梁结构将产生比相同静载作用下更大的变形和应力。因此，车辆荷载对桥梁结构的冲击和振动影响，已成为桥梁结构计算分析中不容忽视的重要因素之一[1]。

从桥梁结构的动力响应分析角度而言，冲击系数源于三个方面： 理想的移动荷载作用桥面引起桥跨结构的振动，引起动力放大； 车辆自身的振动使其加载在桥面上的力也有一定的波动； 实际的桥面不平整引起车辆跳动产生冲击作用。这三者之间影响是相互关联的，车与桥跨结构的振动是耦合在一起的，桥面不平也会引起车桥的振动对于公路桥梁，车辆的质量远小于桥跨质量，因此车辆的质量对车桥耦合振动的影响较小，可忽略其影响从而使动力分析简化[2]。

本文通过 midas civil有限元时程分析方法，研究了简支梁桥在不同行駛速度的车辆荷载下，车辆通过桥跨结构时桥梁的动力响应过程[3]。

2.工程概况

本文所采用的桥墩模型为一跨径为30m的简支梁桥，主梁截面采用T型截面，尺寸如下图1所示。为了保证计算结果的准确，取10个不同的速度工况。由于本文主要研究行车速度对简支梁桥的动力响应的影响，因此排除桥梁其他因素，诸如桥面不平整度，车辆自振等因素的影响。

图1 截面参数

3 有限元仿真计算模型

3.1 计算工况

由于不考虑车辆自身重量对桥梁动力分析得影响，因此我们取后轴重140kN作为计算荷载，简支桥梁上部结构采用C40混凝土，在midas civil中由于无法直接模拟车辆在桥面上的连续行驶，因此本文采用动力节点荷载，在瞬时冲击作用下，设置各个集中质量点的到达时间，以此来控制车辆在桥面的行车速度。车速的工况为10km/h～100km/h，且以10为公差的的十个工况。

3.2 数值仿真

对于车辆冲击荷载的考虑，本文采用半波正弦的脉冲荷载加载方式，由于在midas civil中单元划分的方式是均匀划分，这就决定了单质量点的冲击荷载的加载线型是一定的。

3.3 动力数值模拟计算结果

通过对移动荷载作用下的简支梁桥动力分析计算，得到简支梁桥随时间变化的弯矩时程曲线。模型总长30m，共30个单元，31个节点，结构基频为f=4.424526 Hz，由于各工况速度不同，因此经历的时间也不同。

4 静力分析与时程分析比较

各个国家规范计算对比：按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定[4]，当1.5Hz≤f≤14Hz时，冲击系数μ=0.1767-0.0157=0.247；按加拿大OHBDC规范-1982：当2.5Hz≤f≤4.5Hz时，冲击系数μ=1.2-1=0.2；按美国AASHTO公路桥梁设计规范-1977：冲击系数计算公式为： ，最大不超过0.3，L为桥梁跨径，则 ；按英国HA，HB规范[5]，荷载中已包含25%的冲击效应；单车或车队荷载： ，则 ；按日本1972年规范： ，L为桥梁跨径，则 静力计算跨中弯矩： ，由时程分析得到的各工况的弯矩如下表所示。

参考文献

[1]赵前丹，胡希冀，亢元.车速对铁路桥梁动力响应的影响分析.山西建筑，2010

[2]章卫忠.行驶车辆作用下桥梁动力响应分析.中国水运。2011

[3]李凤阁，杨慧，赵燕。移动荷载速度对简支梁动态响应影响分析。内蒙古科技大学学报。2014.

[4]王少钦，夏禾，郭薇薇等.变速移动荷载作用下简支梁桥的动力响应及共振分析.振动与冲击.2010

[5]章长玖，王贵春，陈淮.公路简支梁桥在车辆荷载作用下的动力响应分析，郑州大学学报（理学报），2012