公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动研究

任俊帅

山西交投忻阜高速公路管理有限公司 山西 忻州 035500

1 公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动研究的意义

1.1 降低对桥梁的不利影响，确保桥梁安全

车辆经过桥梁时会发生耦合振动，桥梁和行驶的车辆都容易产生安全问题，而且高墩大跨一般建在地势崎岖之处，车桥耦合导致的过大振动会引起人们心理上的不适。先对已投入使用的桥梁进行耦合振动研究，再在后续的桥梁构建中引入相关研究成果，确保桥梁结构和桥上行驶车辆的安全，改善乘车人员的心理状态，减少货物损失，更好地发挥公路桥梁为社会、人类和经济服务的作用。

1.2 为我国公路桥梁事业的发展打下坚实的基础

社会经济的发展带来高速公路的快速扩建，近年来我国又大力推行“一带一路”，加强了对中西部地区公路和桥梁的建设，由于地形、建设经费、建设周期等原因，公路大跨径连续体系桥梁成为大多数设计者们的首选方案，高墩大跨桥梁的建设数量日益增加。公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动的研究有着重大的实际应用意义，其研究成果将会为后续的公路和桥梁建设带来重要的参考和借鉴，更为我们带来更加安全的行车环境和行车体验，带来更大的经济社会效益[1]。

2 车桥耦合振动的研究方法

研究车桥耦合振动一般采用试验与理论相结合的方法。先找一个实例进行试验，通过试验的结果来验证理论是否正确，如果正确，再用理论模型进行车桥耦合振动的仿真分析。下面是对车桥耦合振动的分析和研究方法的一些讲述和探讨。

2.1 桥梁的振动分析模型

桥梁结构的振动模型的影响因素包括桥梁的结构、断面构造和梁的片数等。现在的主要分析模型是有限元法和模态坐标法。有限元法重视单元类型和结构的离散方式的选取，这两者一旦确定，模型便初具雏形，根据这两者的不同，桥梁的振动分析方法又分为杆系模型和格排梁模型。在实际运用中，有限元法不适合构建大型桥梁的模型，它的计算量过大且对计算机配置要求较高；而模态坐标法忽视了模型结构的非线性，要求主梁为等截面或近似等截面，使用时受到实际情况的限制，无法评价桥梁局部振动。后来研究者对两种分析模型进行改进，提出了模态综合法。

2.2 车辆分析模型

在车桥耦合振动分析中，比较重要的是对桥梁结构的分析，车辆分析模型在满足实验精准度的前提下可以尽量简化，降低算法的难度，便于将得出的研究成果进行推广。在车桥耦合振动分析中，车辆一般简化为车身，轮轴，用来模拟车身与轮轴间的悬架以及轮胎的弹簧和阻尼器。一般只要确定了车轴数和其他部件的运动自由度，模型搭建基本上就成功了。现在车辆分析模型主要有三种，包括三维车辆模型、平面车辆模型和仿真模型。

2.3 路面不平整度

根据研究发现，路面的平整度对车桥耦合振动也有着较大的影响。对于PC桥梁，车辆通过不平整桥面时对桥的影响较显著大；对于斜拉桥，在接近桥塔的主梁受桥面不平整度冲击大，主塔塔基处弯矩会出现较大数值，而且对斜拉索的冲击效果变化很大，最短的斜拉索受其影响最大，随着长度的而增加，斜拉索受其影响越来越小。

2.4 耦合力的求解

车辆的第i轮轴对桥梁的作用力为：

FiB=KityreΔi+CityreΔ·i+FiGV，其中Δi=Zityre-UiBR(xi)。Kityre、Cityre分别表示车轮的第i轮轴竖向刚度和阻尼系数；Δi指第i轮轴与桥面间的相对位移；FiGV是第i轮轴分担的车体重力分量；Zityre指第i轮轴的竖向位移；UiB是桥梁在第i轮轴处的位移；R(xi)代表桥梁在第i轮轴处的不平整值。由于车桥耦合振动方程是一个非线性方程，所以一般采用逐步积分法，包括线性加速度法、Willson-θ法和Newmark-β法等[2]。

3 如何更好地促进公路大跨径连续体系桥梁的发展

3.1 重视桥梁的桥面平整度

车辆运行的振动状态受桥面的平整度影响较大，工程设计者在设计时要充分考虑到包含桥面平整度参数的冲击系数公式，不同平整度的桥面要及时调整冲击系数。当出现桥面平整度下降时，桥梁养护维修部门要重视并及时采取措施提高桥面平整度，减少不平桥面对通过的车辆的不利影响。

3.2 车辆在运行时要注意运行速度和车间距

公路大跨径连续体系桥梁的振动设计基频不能和单车辆、多车辆振动频率相同，多车辆通过桥梁时，如果有长时间的一致车速与车间距容易产生频繁的车桥耦合共振问题。为了解决出现的车桥耦合振动问题，公路桥梁管理部门在运营时可在不同的车道、不同的道路间隔之间设置减速标志使各车道的车速及车间距不一致，减小车桥共振概率。还可以通过加装液体黏滞阻尼器来控制高墩大跨径连续体系桥梁车桥耦合共振[3]。

4 结束语

公路桥梁的车桥耦合振动问题影响桥梁结构的安全。一方面，高速行驶的车辆会对桥梁的结构状态和使用寿命产生较大的冲击影响；另一方面，桥梁的振动反过来影响了车辆的安全平稳行驶状态。对公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动的研究能够使桥梁结构的设计更加完善和实用化，有关部门可以和高校或者处在技术前沿的企业合作，根据实际情况建设维护公路和桥梁，更好地为社会服务。