车载作用下小跨径公路简支梁桥冲击系数研究

李积慧

摘要：桥梁抗冲击能力是桥梁的重要应用性能之一，其决定了桥梁的安全性及车辆的平稳性与舒适性。文章为研究不同类型桥梁、不同桥梁振动基频、不同桥面平整度及不同车速等多因素影响下桥梁的抗冲击性能，引入冲击系数，探讨了各种因素对桥梁抗冲击性能的影响，并将研究结果与规范值进行对比。研究结果可为多种类型桥梁的设计及施工要求、规范提供参考依据。

关键词：冲击系数;桥梁;车-桥耦合作用;冲击系数;工程设计

0 引言

车-桥耦合作用下桥梁发生的冲击效应是桥梁工程界研究的重要方向之一。受桥面平整度等多因素的影响，这种冲击效应能够增大桥梁的动力响应特征，从而对桥梁的安全性能带来重大威胁[1-3]。

大量研究表明，桥面平整度、车速、桥梁类型及桥梁基频等因素是影响车-桥耦合作用下桥梁冲击效应的重要因素。高庆飞等[4]基于推导与数值模拟，指出不同响应冲击系数不相同，且弯矩冲击系数往往小于挠度冲击系数，并提出了移动车辆荷载作用下桥梁动力性能设计与评价时冲击系数取值方法的建议。陈水生等[5]基于匝道公路连续曲线箱梁桥模型，在考虑桥梁阻尼比和桥面平整度因素影响条件下，发现冲击系数在单车工况下最大，且随着纵向加载车辆数量的增多而显著减小，这为桥梁设计提供了重要指导作用。朱志辉等[6]基于车-桥耦合振动理论及地基微波雷达现场试验，分析了在车-桥耦合作用下，铁路拱桥的吊杆应力冲击系数变化关系，并得出吊杆应力冲击系数随车速的增加而增大的重要结论，为高铁车速设计提供了重要依据。殷新锋等[7]基于三维车辆模型和车-桥耦合分析程序，采用ANSYS软件建立大跨度连续刚构桥梁有限元模型，结合实测桥面数据展开了车辆作用下桥梁的动力响应和冲击系数的分析研究。

基于现有研究成果[8-11]，本次研究将进一步考虑到车速、桥梁基频等因素对于桥梁冲击效应的影响，并通过引入冲击系数定性分析车-桥耦合作用下不同橋梁类型冲击效应，为不同类型桥梁的设计、施工提供指导。

1 模型建立

1.1 桥梁模型建立

我国桥梁工程中常见桥梁类型有T型梁桥、箱型梁桥及板梁桥，因此本次研究将分析上述三种桥梁并建立对应桥梁模型。桥梁基本参数如表1所述。

1.2 工况设置与冲击系数

为研究桥梁基频、桥面不平整度及车速对于车-桥耦合条件下桥梁的影响，本次研究对象为板梁桥、T梁桥及箱梁桥三种桥梁，并设计了8种不同桥梁基频（1 Hz、3 Hz、4 Hz、5 Hz、6 Hz、8 Hz、12 Hz、18Hz）、5个不同桥面平整度（差、较差、一般、较好、好）及8个不同车速（15 km/h、30 km/h、45 km/h、60 km/h、75 km/h、90 km/h、105 km/h、120 km/h） 对桥梁冲击性能数值进行模拟研究。通过引入冲击系数（IM：Impact Factor）对桥梁在不同条件下的抗冲击性能进行定量分析，冲击系数IM的计算方法见式（1）：

2 结果分析与讨论

2.1 基频影响

不同类型桥梁的冲击系数随基频变化关系如图1所示，选取平整度较好的桥面研究结果作为典型案例。由图1可知，对于不同桥梁其冲击系数随桥梁基频变化趋势具有一定的差异。对于T型梁桥，其冲击系数随桥梁基频呈现出先增大后减小的基本趋势;对于箱型梁桥，其冲击系数随桥梁基频呈现出先增大后线性降低的基本趋势;对于板梁桥，其冲击系数先降低，后增大，再降低。此外，由图1可知，当桥梁基频处于3 Hz和12 Hz左右时其冲击系数为极大值。分析认为，当桥梁基频位于3 Hz及12 Hz附近时，其频率较为接近车辆的第4阶俯仰振动频率（3.05 Hz）及第15阶车轴弹跳振动频率（11.75 Hz），因此车辆与桥梁之间出现了共振效应，导致在3 Hz及12 Hz附近时，各种桥梁的冲击系数均达到极大值。

2.2 桥面不平整度影响

本次试验共设计了5组不同平整度的桥面，分别为桥面平整度差、较差、一般、较好及好5个层次，深入展开了桥面不平整度对于桥梁冲击系数的影响研究。受限于文章篇幅，仅选取桥面平整度差、一般及好作为典型案例，得出不同平整度桥梁冲击系数随桥梁基频变化关系如下页图2所示。由图可知，桥面不平整度对桥梁冲击系数的影响很大，在桥面平整度差的条件下，T型梁桥冲击系数在0.34～0.47之间，箱型梁桥的冲击系数在0.25～0.41之间，板梁桥的冲击系数在0.30～0.42之间;在桥面平整度一般条件下，T型梁桥冲击系数在0.08～0.11之间，箱型梁桥的冲击系数在0.05～0.11之间，板梁桥的冲击系数在0.05～0.08之间;在桥面平整度好条件下，T型梁桥冲击系数在0～0.03之间，箱型梁桥的冲击系数在0.01～0.06之间，板梁桥的冲击系数在0.04～0.06之间。由此可见，桥面平整度越高，桥梁的冲击系数越低。在桥面平整度差的条件下，冲击系数远高于规范值，不能够满足桥梁设计值要求，而在桥面平整度一般及好的条件下，三种类型桥梁的冲击系数远低于规范设计值，能够满足要求。

2.3 车速影响

大量研究表明，车速是影响车-桥耦合作用下冲击效应的重要因素，且随着车速递增冲击系数表现出逐渐增大的趋势。下页图3为桥梁冲击系数（IM）随车速（v）增加变化关系图。由图可知，对于三种不同类型桥梁，随着车速的不断增加，其冲击系数不断递增，且均呈现出线性增加趋势，这与现有研究结果一致。进一步观察到，对于三种不同类型桥梁，在相同的车速下，板梁桥的冲击系数明显低于T型梁桥与箱型梁桥的。T型梁桥冲击系数高于箱型梁桥，但两者之间较为接近。

3 结语

基于模型建立与车-桥耦合数值模拟分析，本文展开了桥面平整度、车速、桥梁类型及桥梁基频四个重要因素对于桥梁冲击效应的影响，并通过引入冲击系数进行了定量分析，得出主要结论如下：

（1）不同桥梁其冲击系数随桥梁基频变化趋势具有一定的差异：T型梁桥冲击系数呈先增大后减小的趋势，箱型梁桥冲击系数随桥梁基频呈现出先平稳后线性降低的趋势，板梁桥冲击系数先降低，后增大，再降低。

（2）桥面不平整度对桥梁冲击系数的影响很大，桥面平整度越高，桥梁的冲击系数越低。

（3）对于三种不同类型桥梁，随着车速的不断增加，其冲击系数不断递增，且均呈现出线性增加趋势;在相同的车速下，板梁桥的冲击系数明显低于T型梁桥与箱型梁桥，T型梁桥冲击系数高于箱型梁桥，但两者之间较为接近。

上述研究指出了桥面平整度、车速、桥梁类型及桥梁基频对于桥梁冲击效应的影响，为桥梁设计提供了一定的指导作用，但对于不同车载重量、桥梁结构强度等因素未进行考虑，因此需要进一步展开更加深入的研究。

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[6]朱志辉，罗思慧，张 磊，等.车桥耦合振动的拱桥吊杆应力冲击系数分析[J].振动.测试与诊断，2019，39（6）：1 169-1 176，1 356-1 357.

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收稿日期：2020-06-10