基于跑車(chē)試驗(yàn)的橋梁沖擊系數(shù)研究

彭世杰 梁家熙 王強(qiáng)

摘 要：通過(guò)對(duì)某鋼混組合連續(xù)梁橋跑車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)在特定車(chē)型及特定車(chē)速下可能發(fā)生沖擊系數(shù)異常增大的情況。通過(guò)車(chē)輛相鄰車(chē)軸間距，換算在不同車(chē)速下前后相鄰車(chē)軸對(duì)橋梁的激勵(lì)間隔時(shí)間，通過(guò)對(duì)比，當(dāng)相鄰車(chē)軸對(duì)橋梁的激勵(lì)間隔時(shí)間接近橋自振周期時(shí)，橋梁動(dòng)力效應(yīng)增大明顯，沖擊系數(shù)顯著增大。

關(guān)鍵詞：橋梁跑車(chē)試驗(yàn);沖擊系數(shù);車(chē)橋耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：U446 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）36-0094-06

Research on Bridge Impact Coefficient Based on Vehicle Field Test

PENG Shijie ? LIANG Jiaxi ? ?WANG Qiang

（Zhuhai Communication Group Co.， Ltd.， Zhuhai Guangdong 519000）

Abstract：Through the analysis of the vehicle field test results of a steel-concrete composite continuous beam bridge，it is found that the impact coefficient of the bridge structure may increase abnormally under specific vehicle type and vehicle speed.According to the distance between adjacent axles of the vehicle，the excitation interval from adjacent axles to the bridge at different speeds is converted.By comparison，when the excitation interval of adjacent axes of the bridge is close to the natural vibration period of the bridge，the dynamic effect of the bridge increases significantly and the impact coefficient increases significantly.

Keywords：vehicle field test;impact coefficient;vehicle-bridge coupling

車(chē)輛的沖擊作用一般表現(xiàn)為車(chē)輛行駛在橋上時(shí)產(chǎn)生的豎向最大效應(yīng)大于車(chē)輛靜停在橋上時(shí)的最大效應(yīng)，二者比值一般稱(chēng)為動(dòng)力放大系數(shù)（1+[μ]）。在我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，[μ]表示沖擊系數(shù)，車(chē)輛荷載的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)[μ]。在設(shè)計(jì)中需要考慮沖擊力的影響，即考慮沖擊力影響的汽車(chē)荷載作用往往用車(chē)輛的重力影響乘以動(dòng)力放大系數(shù)（1+[μ]）來(lái)表達(dá)[1-2]。我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中使用的沖擊系數(shù)計(jì)算方法以結(jié)構(gòu)基頻為主要參數(shù)[3]。

在實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)中，由于隨機(jī)車(chē)流下的車(chē)輛分布及汽車(chē)荷載大小十分復(fù)雜，橋梁的沖擊系數(shù)大小除了橋梁結(jié)構(gòu)本身的自振特性以外，還與車(chē)輛分布、車(chē)型、車(chē)速、路面粗糙度等因素有關(guān)，因此橋梁在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的沖擊系數(shù)很難通過(guò)理論計(jì)算或通過(guò)模擬試驗(yàn)得到。我國(guó)現(xiàn)有的橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)范，給出了在無(wú)障礙跑車(chē)試驗(yàn)下橋梁沖擊系數(shù)的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)往往采用一輛或多輛勻速跑車(chē)或跳車(chē)，無(wú)法真實(shí)反映在實(shí)際隨機(jī)車(chē)流下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)情況，且未給出具體的沖擊系數(shù)評(píng)價(jià)體系。因此，橋梁沖擊系數(shù)的研究依然是一個(gè)較大的難題，也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直研究的熱點(diǎn)，其中關(guān)于車(chē)-橋耦合振動(dòng)的研究尤為突出[4-7]。

本文主要根據(jù)（30+36+30） m鋼混組合梁橋在固定車(chē)型的不同車(chē)速跑車(chē)試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)動(dòng)撓度及動(dòng)應(yīng)變結(jié)果，將試驗(yàn)車(chē)輛在形式過(guò)程中簡(jiǎn)化為多個(gè)固定間距的車(chē)軸作用，研究試驗(yàn)車(chē)輛在不同車(chē)速下前后相鄰車(chē)軸交替作用在同一位置的時(shí)間差，分析車(chē)軸的激勵(lì)頻率與橋梁基頻及橋梁實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)的關(guān)系。

1 橋梁概況

試驗(yàn)橋梁為（30+36+30） m三跨連續(xù)鋼混組合梁橋，整幅橋標(biāo)準(zhǔn)寬25.0 m，設(shè)雙向6車(chē)道，主梁橫向共11片預(yù)制組合梁，預(yù)制組合梁形式為工字鋼+10 cm預(yù)制板（C50混凝土），小組合梁之間橫向間距為2.3 m，36 m跨1 280 mm到1 080 mm變高度Q345qD工字鋼，30 m跨采用1 080 mm高Q345qD工字鋼，預(yù)制組合梁吊裝后橋面現(xiàn)澆20 cm整體現(xiàn)澆層（C50混凝土）與各組合梁工字鋼采用剪力釘連接，主梁在墩頂處設(shè)置開(kāi)口鋼箱填筑混凝土橫梁，其余位置各組合梁之間未設(shè)橫梁。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式框架墩，墩柱中心間距8.4 m。設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)為城-A級(jí)，橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示，橋梁有限元模型如圖2所示。

2 橋梁自振特性測(cè)試

在每一跨4分跨位置布置速度傳感器，拾取橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)作用下橋梁各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)采集的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和模態(tài)分析，得到實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振特性。測(cè)試結(jié)果如表1所示，典型的速度時(shí)程曲線及頻譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3，實(shí)測(cè)振型與理論振型如圖4所示。

試驗(yàn)橋梁實(shí)測(cè)基頻為f=3.13 Hz，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015），當(dāng)1.5 Hz≤f≤14 Hz時(shí)，沖擊系數(shù)為 [μ=0.176 7lnf-0.015 7≈ 0.19]。

3 跑車(chē)試驗(yàn)-沖擊系數(shù)測(cè)試

動(dòng)力荷載作用于結(jié)構(gòu)上，會(huì)在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)變與撓度，相應(yīng)地可用測(cè)試儀器采集控制斷面的動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)撓度，可根據(jù)控制截面測(cè)點(diǎn)在跑車(chē)試驗(yàn)時(shí)記錄的動(dòng)應(yīng)變或動(dòng)撓度曲線進(jìn)行分析處理得到最大峰值ymax及最大平均值ymean，實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)[μ=ymaxymean-1]，沖擊系數(shù)計(jì)算圖示如圖5所示[8-9]。

采用橋式位移計(jì)、應(yīng)變片對(duì)36 m跨2片邊梁（10#、11#）跨中截面進(jìn)行跑車(chē)過(guò)程中動(dòng)撓度及動(dòng)應(yīng)變測(cè)試，跑車(chē)采用一臺(tái)重約35 t重車(chē)沿外側(cè)車(chē)車(chē)道進(jìn)行9～52 km/h車(chē)速跑車(chē)，測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示。

在試驗(yàn)重車(chē)以實(shí)測(cè)速度8 km/h、19 km/h、23 km/h、35 km/h、46 km/h、52 km/h勻速跑車(chē)作用下，次邊梁（10#梁）跨中動(dòng)撓度響應(yīng)測(cè)試曲線如圖7所示。

在試驗(yàn)重車(chē)以實(shí)測(cè)速度8 km/h、19 km/h、23 km/h、35 km/h、46 km/h、52 km/h勻速跑車(chē)作用下，次邊梁（10#梁）跨中動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)測(cè)試曲線如圖8所示。

不同車(chē)速跑車(chē)作用下橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)[μ]測(cè)試結(jié)果如表2及圖9所示。

由上可知，動(dòng)撓度與動(dòng)應(yīng)變計(jì)算沖擊系數(shù)值基本吻合，規(guī)律一致，基本上隨車(chē)速增加動(dòng)力放大系數(shù)增大，但 35 km/h車(chē)速下結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)異常增大，動(dòng)力放大系數(shù)平均值為0.48。

通過(guò)該橋?qū)崪y(cè)基頻按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）計(jì)算該橋設(shè)計(jì)的理論沖擊系數(shù)為0.19，而該橋在車(chē)速達(dá)到35 km/h時(shí)沖擊系數(shù)平均值增大到0.48，達(dá)到設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)的2倍，46 km/h及52 km/h速度下實(shí)測(cè)值也分別達(dá)到0.24和0.37，均大于設(shè)計(jì)理論的沖擊系數(shù)。由于跑車(chē)試驗(yàn)采用的是單一車(chē)輛加載，加載效率遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，試驗(yàn)也無(wú)法模擬實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的隨機(jī)車(chē)流，基于勻速跑車(chē)實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)與設(shè)計(jì)理論值直接比較目前并無(wú)實(shí)際評(píng)價(jià)意義。

雖然跑車(chē)試驗(yàn)較為理想化，但從設(shè)計(jì)包絡(luò)的角度來(lái)看，并不代表實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不會(huì)遇見(jiàn)這種情況。因此，可以看出現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范采用的理論沖擊系數(shù)偏小，這是不利于安全的，特別是對(duì)于小跨徑多梁組合橋的邊梁或者次邊梁，往往只需要1～2輛重車(chē)沿著外側(cè)車(chē)道行駛就能使單梁達(dá)到加載效率。

4 車(chē)軸間距引起的間隔激勵(lì)分析

本次跑車(chē)采用的試驗(yàn)重車(chē)為四軸車(chē)，車(chē)輛示意圖及車(chē)輛信息如圖10、表3所示。

已知車(chē)輛軸距L1為1.95 m，L2為3.10 m，L3為1.35 m，試驗(yàn)車(chē)輛在跑車(chē)過(guò)程中簡(jiǎn)化為多個(gè)固定間距的豎向車(chē)軸。由于車(chē)軸的間距固定，車(chē)輛行駛過(guò)程中每個(gè)車(chē)軸按照順序作用在同一截面上的時(shí)間差與速度有關(guān)。在特定車(chē)速下相鄰車(chē)軸對(duì)同一個(gè)橋梁截面間隔時(shí)間可能會(huì)與橋梁自振周期吻合，計(jì)算不同時(shí)速下試驗(yàn)車(chē)輛各軸距對(duì)應(yīng)的車(chē)軸激勵(lì)間隔時(shí)間及激勵(lì)頻率，如表4所示。

35 km/h行車(chē)時(shí)中軸1-中軸2距離（L2）作用間隔時(shí)間為0.201 s，間隔激勵(lì)頻率為3.14 Hz，與結(jié)構(gòu)一階頻率3.13 Hz非常相近。因此，試驗(yàn)車(chē)在35 km/h行車(chē)過(guò)程中可能產(chǎn)生激勵(lì)頻率與橋梁自振頻率耦合的現(xiàn)象，導(dǎo)致在該車(chē)速下沖擊系數(shù)異常增大。

5 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛軸距與車(chē)速的計(jì)算分析，試驗(yàn)車(chē)輛相鄰車(chē)軸在某一固定車(chē)速下，通過(guò)橋梁同一截面位置的間隔時(shí)間可能與橋梁自振周期一致，從而引起某一特定車(chē)速下車(chē)對(duì)橋的激勵(lì)頻率與橋梁自振頻率耦合，導(dǎo)致沖擊系數(shù)異常增大。

②在實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)中，汽車(chē)荷載往往表現(xiàn)為隨機(jī)車(chē)流荷載，較難出現(xiàn)固定車(chē)軸間距引起的持續(xù)間隔激勵(lì)的情況，實(shí)際產(chǎn)生的荷載效率也會(huì)比跑車(chē)試驗(yàn)荷載效率大，不宜直接將跑車(chē)試驗(yàn)得到的沖擊系數(shù)結(jié)果與設(shè)計(jì)規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。本試驗(yàn)反映的現(xiàn)象僅能在常規(guī)的無(wú)障礙勻速跑車(chē)中復(fù)現(xiàn)，對(duì)于不同的橋梁、不同的試驗(yàn)車(chē)輛所匹配的車(chē)速也會(huì)不一樣。

③雖然跑車(chē)試驗(yàn)的方法較為理想化，但從設(shè)計(jì)安全的角度來(lái)看，并不代表橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中完全不會(huì)出現(xiàn)。根據(jù)跑車(chē)試驗(yàn)的沖擊系數(shù)實(shí)測(cè)和設(shè)計(jì)規(guī)范值對(duì)比可以看出，現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范采用的理論沖擊系數(shù)偏小，這是不利于安全的。特別對(duì)于小跨徑多梁組合橋的邊梁或者次邊梁，往往只需要1～2輛重車(chē)沿著外側(cè)車(chē)道行駛就能使單梁達(dá)到加載效率。因此，在橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范上采用更為理想的沖擊系數(shù)設(shè)計(jì)理論非常有必要。

④影響橋梁沖擊系數(shù)的因素較多，由于水平有限，本文中僅對(duì)不同軸距的相鄰車(chē)軸間隔激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率耦合單一方面的因素進(jìn)行分析，對(duì)于建議較為完善的沖擊系數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)的體系還需要更多的學(xué)者專(zhuān)家進(jìn)行實(shí)踐研究。

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