車輛對橋梁伸縮縫沖擊效應的實驗研究

呂俊平，韓凌霞，丁勇

（1.金華市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 金華 321302；2.浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310063；3.寧波大學土木工程系，浙江 寧波 315211）

1 引言

Steenbergen[3]研究了伸縮縫的動力特性，建立了數(shù)學模型并結合試驗結果，認為車輪荷載的沖擊系數(shù)在0.1～0.5 的范圍內(nèi)；謝旭[4]等通過實測車輛在不同車速下經(jīng)過橋梁時產(chǎn)生的動力響應發(fā)現(xiàn)，車輛對伸縮縫造成的沖擊響應比對橋跨產(chǎn)生的振動響應更大；丁勇[5]等為反映真實情況下車輪經(jīng)過伸縮縫時與地面的接觸，提出了一種分布式彈簧-阻尼單元模型；張露[6]等提出了一種載重車輛-伸縮縫耦合系統(tǒng)垂向動力學模型，分析發(fā)現(xiàn)載重車輛通過大位移橋梁伸縮縫時產(chǎn)生的最大沖擊系數(shù)已超過國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范。

本文采用縮尺模型實驗的方法，建立了由彈性車輪和剛性車體組成的車輛模型及槽形鋁合金橋梁模型，通過步進電機控制系統(tǒng)牽引車輛勻速移動，對移動車輛通過橋梁伸縮縫時的局部沖擊效應進行實驗研究，采用車輛經(jīng)過伸縮縫處時的前輪動態(tài)輪壓作為評價指標，分析行車速度、小車質(zhì)量及伸縮縫寬度等參數(shù)對沖擊效應的影響。

2 車輛與伸縮縫的縮尺模型實驗系統(tǒng)

2.1 橋梁及伸縮縫模型

建立橋梁與伸縮縫的縮尺實驗模型，采用1∶30 的三跨簡支梁，其中第一、第三段為引橋，中間較長的第二段為簡支梁主橋，模型照片如圖1 所示，材料為鋁合金。主梁支座一端采用滾動軸承簡支（見圖2），另一端直接簡支在同一水平高度的2 個豎向動態(tài)力傳感器之上。為降低外界振動及噪聲對橋梁產(chǎn)生的影響，將橋梁支座固定在具有一定重量的型鋼上。伸縮縫如圖3 所示，設置在引橋與主橋之間，通過預留一定寬度的平行縫來模擬實際橋梁伸縮縫。

圖1 縮尺實驗模型示意圖

圖2 主橋滾動軸承簡支端示意圖

圖3 橋梁模型伸縮縫示意圖

橋梁相關參數(shù)如表1 所示。

表1 橋梁參數(shù)列表

2.2 車輛模型

車輛模型采用1∶30 的兩車軸縮尺模型，實驗照片如圖4所示，具體可細分為車身鋼板、砝碼塊、導向輪裝置、車立柱、懸掛及車輪6 部分，其中車輛模型長15 cm，寬9 cm，前后軸距10 cm，左右輪距8 cm，整車質(zhì)量為4.6 kg，可通過加減砝碼調(diào)整整車質(zhì)量。

圖4 加載砝碼塊的試驗車輛模型照片

車體的懸掛系統(tǒng)由彈性橡膠車輪、車體彈簧構成，可以反映真實車輛的振動特性。車輛由牽引系統(tǒng)帶動運動，動力由系統(tǒng)端部的調(diào)速電機產(chǎn)生，通過鋼絲繩牽引車輛運動，運動路徑包含3 段橋梁模型，因此，可以模擬車輛通過伸縮縫時的橋頭跳車。

2.3 測量系統(tǒng)

實驗時在上橋端梁支座處（見圖2）安裝2 個沖擊力傳感器來測量小車上橋過程的沖擊力。通過信號數(shù)據(jù)線將試驗裝置上的線性位移計、力傳感器與信號采集系統(tǒng)相連接，再接線至計算機，實驗時沖擊力由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的專業(yè)軟件DASP 10 采集記錄及存儲數(shù)據(jù)。

3 縮尺模型實驗結果及分析

實驗采用總重為4.6 kg 的小車，通過調(diào)整伸縮縫的寬度、小車行駛速度進行試驗，其中車速的變化范圍為0.1～1 m/s，間隔速度為0.1 m/s，伸縮縫寬度的變化范圍為0～3 mm，間隔寬度為0.5 mm。

實驗過程中通過橋端底部傳感器測量沖擊力，傳感器接觸點位置距離橋端部僅為0.5 cm，因此，在小車經(jīng)過伸縮縫上橋的短距離內(nèi)，通過力的平衡關系將動態(tài)反力變化值與輪壓對滾動軸承簡支端取矩應相等計算出的差值非常小，可忽略不計，測量得到的2 個傳感器合力可近似等同于前輪動態(tài)輪壓，結果如圖5 所示。

而在諸多困難中，又屬中國古詩中意象的翻譯最難。意象是我國古典詩學關于創(chuàng)作和鑒賞的核心概念，也是我國傳統(tǒng)美學的重要范疇。它是客觀物象與主觀情思的融合，而且一些意象被歷史傳統(tǒng)賦予了特有的文化內(nèi)涵，沿用至今。比如，在中國文化中，“柳樹”代表著離別。因為古代和親友分別的時候，人們通常贈予柳枝以表離別的傷感之情。而且“柳”在漢語中諧音“留”，意為讓朋友留下，承載了悠久的文化內(nèi)涵。這樣豐富的文化意象如果在翻譯過程中丟失了，一定程度上連整首詩的詩魂也就丟失了。

圖5 支座沖擊力實測值

采用沖擊系數(shù)m 表示車輛對橋梁的沖擊作用，其表達式如式（1）：

式中，Rdmax為移動荷載作用下的最大沖擊力，Rs靜荷載作用下的同一響應值。

將4 種不同寬度伸縮縫情況下，小車前輪輪壓沖擊系數(shù)與速度關系繪制如圖6 所示，可以看出速度在1 m/s 范圍內(nèi)，無論是哪一種伸縮縫寬度，小車前輪輪壓峰值是隨小車行駛速度增大而增大的。

圖6 不同伸縮縫寬度下的跳車沖擊系數(shù)

將5 種不同行車速度情況下，小車前輪輪壓局部沖擊系數(shù)與伸縮縫寬度關系繪制如圖7 所示。同樣可以看出，在不同行車速度下，前輪輪壓沖擊系數(shù)都是隨伸縮縫跨度增大而增大的，行車速度為0.9 m/s，伸縮縫寬度為3 mm 時，最大局部沖擊系數(shù)可達0.85。

圖7 不同行車速度下的跳車沖擊系數(shù)

以上試驗都是車重為4.6 kg 情況下對車輪局部沖擊的研究，本文還進行了關于車輛質(zhì)量參數(shù)對局部沖擊的影響研究。圖8 為小車在速度0.5 m/s 時，小車質(zhì)量與前輪輪壓局部沖擊系數(shù)關系圖，可以看出，隨著速度的增大，局部沖擊系數(shù)越小。這是由于車輪與橋面的接觸面積隨著小車質(zhì)量的增大而增大，降低了對伸縮縫的沖擊力，使沖擊系數(shù)減小。

圖8 前輪輪壓沖擊系數(shù)與小車質(zhì)量關系圖

4 結論

本文建立了車輛與橋梁伸縮縫的縮尺模型，設計并實現(xiàn)了車輛經(jīng)過伸縮縫時的局部沖擊應力實測實驗，實驗結果表明：

1）試驗車輛經(jīng)過伸縮縫處輪壓局部沖擊系數(shù)隨伸縮縫寬度增大而線性增大；

2）試驗車輛車輪力的局部沖擊系數(shù)隨速度的增大而增大；

3）當車輛質(zhì)量增大時，輪胎與橋面的接觸面積變大，輪壓沖擊系數(shù)隨之減?。?/p>

4）0.9 m/s 行車速度、3 mm 伸縮縫寬度時，局部沖擊系數(shù)可達0.85，超過了我國橋梁規(guī)范的設計值。