特重車各輪相干橋面激勵(lì)對(duì)斜拉橋隨機(jī)振動(dòng)的影響

陳水生　趙輝　李錦華　朱朝陽(yáng)

摘要： 為了研究特重車各輪相干橋面激勵(lì)對(duì)斜拉橋振動(dòng)響應(yīng)的影響，根據(jù)特重車左右輪的相干函數(shù)關(guān)系和前后輪的時(shí)間滯后關(guān)系，推導(dǎo)并建立了特重車各輪相干橋面不平順激勵(lì)的功率譜矩陣?；谲嚇蝰詈险駝?dòng)理論和虛擬激勵(lì)法分析特重車各輪相干橋面激勵(lì)對(duì)大跨度斜拉橋車致振動(dòng)響應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明：特重車各輪相干橋面激勵(lì)增大了斜拉橋振動(dòng)響應(yīng)的離散程度，橋梁振動(dòng)響應(yīng)隨著各輪橋面激勵(lì)相干強(qiáng)度的提高而增大。斜拉橋在特重車各輪相干橋面激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)受不同相干函數(shù)模型的影響較小。特重車各輪相干非平穩(wěn)橋面激勵(lì)的斜拉橋振動(dòng)響應(yīng)離散程度大于各輪相干平穩(wěn)橋面激勵(lì)，橋梁振動(dòng)響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差最大值隨著車輛加速度的提高而增大。斜拉橋的車致振動(dòng)響應(yīng)對(duì)多輪多點(diǎn)相干橋面激勵(lì)很敏感，其振動(dòng)響應(yīng)的離散程度隨著特重車軸數(shù)的增加而增大。

關(guān)鍵詞： 車橋耦合;?橋面不平順;?車輛各輪相干;?虛擬激勵(lì)法;?特重車

中圖分類號(hào)： U441.3;?U448.27 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號(hào)： 1004-4523（2022）02-0318-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.007

引??言

隨著跨區(qū)域貨運(yùn)的不斷增加和汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，公路運(yùn)輸因自身的優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代物流行業(yè)的主力軍，不同區(qū)域間的貨物運(yùn)輸業(yè)務(wù)劇增，導(dǎo)致城市道路和高速公路上的運(yùn)行車輛越來(lái)越多且車輛規(guī)格越來(lái)越復(fù)雜。與此同時(shí)，中國(guó)橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)，目前全國(guó)橋梁總數(shù)達(dá)100多萬(wàn)座，其中公路橋梁數(shù)量83.25萬(wàn)座，已成為世界第一橋梁大國(guó)，各種類型的大中小跨徑橋梁遍布各大交通要道。在滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時(shí)，逐年增加的交通量給在役公路橋梁帶來(lái)巨大的壓力和挑戰(zhàn)，特別是大型載貨汽車超重超限而導(dǎo)致的橋梁垮塌事故也時(shí)有發(fā)生，橋梁結(jié)構(gòu)在移動(dòng)車輛荷載作用下的使用壽命和運(yùn)營(yíng)安全備受社會(huì)關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁車致振動(dòng)響應(yīng)的研究從未間斷，由起初的單自由度車輛荷載到多自由度多軸車輛荷載，從確定性多車過(guò)橋到目前的隨機(jī)車流過(guò)橋，從研究中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的振動(dòng)響應(yīng)到研究大跨度懸索橋的振動(dòng)響應(yīng)，做了很多工作，也創(chuàng)造了很多有價(jià)值的成果。這些研究表明，橋梁的車致振動(dòng)響應(yīng)取決于三個(gè)主要因素：橋梁、車輛和橋面不平順。雖然學(xué)者們對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁進(jìn)行了大量的車致振動(dòng)研究，但對(duì)車輛類型和橋面不平順的研究依然存在不足：（1）在已有的車輛各輪相干橋面不平順激勵(lì)的橋梁振動(dòng)研究中，車輛為二軸1/2車或三軸后八輪整車，所分析的橋梁為中小跨徑橋梁，并非大規(guī)格的多軸拖掛車和跨徑較大的大跨度橋梁。針對(duì)特重車在大跨徑橋梁上行駛而引起的橋梁隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)研究較少，特別是多軸特重車各車輪受到橋面多點(diǎn)不平順隨機(jī)激勵(lì)的橋梁振動(dòng)研究更少。事實(shí)上，中國(guó)重型貨物的公路運(yùn)輸逐年增加，特重車出現(xiàn)的概率越來(lái)越大，且向大型化、拖掛化、集裝箱化方向發(fā)展，公路橋梁在特重車荷載作用下的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)有待進(jìn)一步探究。（2）在空間上處于車輪與橋梁間的橋面不平順是橋梁產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)的主要激勵(lì)源之一，已有橋面不平順隨機(jī)激勵(lì)的數(shù)值模擬，只是在時(shí)域內(nèi)由不平順功率譜隨機(jī)生成多條時(shí)間歷程樣本作為系統(tǒng)激勵(lì)輸入，且沒(méi)有考慮車輛各輪橋面不平順激勵(lì)的相干性，這其實(shí)只是橋面不平順激勵(lì)的一次實(shí)現(xiàn)，不能體現(xiàn)橋面不平順的隨機(jī)性特征，也難以體現(xiàn)橋面不平順隨機(jī)激勵(lì)的橋梁車致振動(dòng)響應(yīng)的隨機(jī)性。已有研究表明，雖然車輛各輪具有相同的功率譜密度，但左右輪跡間存在互譜，即具有相干性，再現(xiàn)兩輪跡多點(diǎn)激勵(lì)模型時(shí)應(yīng)該考慮其空間相干性。為了體現(xiàn)橋梁振動(dòng)響應(yīng)的隨機(jī)性，可以采用蒙特卡羅法對(duì)多條橋面不平順樣本激勵(lì)下的橋梁振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但必須取大量的不平順樣本進(jìn)行多次橋梁振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算，才能確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。

因此，鑒于已有研究的不足，本文以六軸重載汽車為主要分析對(duì)象，在頻域內(nèi)考慮特重車各輪橋面隨機(jī)激勵(lì)的左右輪相干關(guān)系和前后輪時(shí)間滯后關(guān)系，推導(dǎo)特重車多輪多點(diǎn)橋面不平順激勵(lì)的功率譜矩陣，采用虛擬激勵(lì)法將復(fù)雜的橋面不平順隨機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)化為一系列虛擬的確定性激勵(lì)，進(jìn)而求解車橋耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)，分析多軸特重車各輪相干橋面激勵(lì)對(duì)斜拉橋振動(dòng)響應(yīng)的影響。