剎車制動力對大跨度懸索橋的振動分析綜述
2018-01-22
1、引言：
隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國客運(yùn)與貨運(yùn)量日益增長，行車速度和載重量也有大幅提高，車輛因交通事故，惡劣天氣等原因而突然剎車的現(xiàn)象時有發(fā)生[1]，加上新型高強(qiáng)材料的應(yīng)用，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工逐漸向著大、細(xì)、柔的方向發(fā)展。制動力對懸索橋的振動效應(yīng)變得更加突出，而振動過大一方面會使橋梁原有的工作性能發(fā)生變化，長期以往將直接影響其承載能力和使用壽命；另一方面也將嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性。因此，研究剎車制動力對橋梁振動的影響，對橋梁使用性能和行車安全都有著極為重要的意義。
移動車輛荷載對橋梁振動的影響是工程師和研究人員關(guān)注的課題，并且往往將車-橋問題作為一個耦合系統(tǒng)來進(jìn)行研究。影響車-橋耦合振動的因素有很多，總結(jié)一下大致可以分為：路面平整度、橋梁跨度、橋梁自重、橋梁阻尼、車行速度、車輛制動力、車輛懸掛系統(tǒng)、車輛軸距、車輛重量九個方面。隨著電子計算機(jī)的出現(xiàn)和有限元技術(shù)的發(fā)展，許多數(shù)值分析方法被提出用于研究各種因素對車-橋耦合振動的影響，車橋耦合振動研究得到迅速發(fā)展。
2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀：
葉建峰，李曉寶等對實際工程中的懸索橋進(jìn)行了動力試驗,測得了懸索橋的動應(yīng)變、動位移、振幅以及加速度等動力響應(yīng)，計算得出沖擊系數(shù)，并將實測結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行了對比分析。對類似橋梁設(shè)計及橋梁養(yǎng)護(hù)極具參考意義。田仲初[2]建立了考慮縱向剎車或加速影響的有限元模型，并通過與半解析解對比驗證有限元模型的正確性。劉鈺編寫Matlab程序模擬跳車、剎車兩種特殊行車狀況，并計算分析了不平順狀態(tài)下橋梁的動力響應(yīng)。陳強(qiáng)將模擬結(jié)果與ABAQUS中的模型和有限元直接積分法結(jié)果進(jìn)行了對比，蔣培文[3]先將橋梁與車輛模型均獨(dú)立建立于ANSYS環(huán)境下，其耦合作用關(guān)系再通過APDL編程語言計算，最終得到振動的時程響應(yīng)。
C.S. Cai[4]基于宜昌大橋的數(shù)據(jù)，同時考慮車輛數(shù)目、車輛速度、路面粗糙度和風(fēng)速的影響，建立了車-橋-風(fēng)耦合綜合分析框架。姚忠達(dá)博士和捷克工程院院士Ladislav Fryba以意大利墨西拿海峽大橋為研究背景，研究了在豎向地震力和移動荷載的共同激勵下大跨徑懸索橋的動力反應(yīng)特性。
彭獻(xiàn)[5]教授研究了勻變速車輛與隨機(jī)路面彈性支撐的橋梁耦合系統(tǒng)，討論了車輛的加速度、彈性支撐的剛度以及路面的不平度系數(shù)對橋梁最大撓度、動接觸力擴(kuò)大因子以及行車的舒適度的影響。懸索橋作為其特例，這些有價值的結(jié)論對于懸索橋的動態(tài)設(shè)計和動力性能評估具有一定的實際意義。馮兆祥針對泰州大橋開展結(jié)構(gòu)動力特性計算，分析了不同移動速度以及不同移動荷載大小對于三塔兩跨懸索橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。
3、國外研究現(xiàn)狀：
早在1975年英國倫敦的道路運(yùn)輸研究實驗室就給出了實測后的剎車力加載關(guān)系圖線，相關(guān)的計算機(jī)模擬方法研究也一直持續(xù)著。
Kishan等[6]于1977年建立了理想化的橋梁模型，并證明了剎車力對梁的振動有非常大的影響。隨后，1980年Gupta, R. K等同時考慮了路面不規(guī)則以及剎車力的影響，得出了簡支梁和雙向異性板的彎矩和變形。Chattjjee把橋理想化為正交各向異性板和集中質(zhì)量分布模擬的梁，分析簡支梁橋上車輛剎車和其初始彈力的影響。
韓國學(xué)者KWARK等[7]結(jié)合本國高速列車系統(tǒng)，得出了列車在剎車時橋梁的動態(tài)響應(yīng)，并證明了安裝在橋梁墩臺附近的蠕變耦合器對減少橋梁的振動是非常有效的。K. Chompooming等[8]采用自編的橋梁振動分析程序(DABS)對試驗結(jié)果[12]進(jìn)行了論證。MICHALTSOS, G.T分別建立了單質(zhì)量模型和雙軸車輛模型，并得出了車輛在加減速狀態(tài)下對簡支梁振動的影響。
4、結(jié)論與建議
通過分析國內(nèi)外研究資料，目前對考慮剎車制動力作用下的車-橋耦合問題的研究，主要是還是動力荷載試驗和基于實驗數(shù)據(jù)下的數(shù)值分析兩個方面。簡支梁橋的車-橋耦合振動問題的理論和試驗研究逐步系統(tǒng)化，連續(xù)梁橋也有一定程度的研究成果。而對于懸索橋在這方面的研究內(nèi)容還比較少。尤其不同橋位處多輛車同時剎車時，大跨度懸索橋的動力響應(yīng)還有待進(jìn)一步深入分析。因此，模擬剎車條件車輛荷載對大跨度懸索橋振動分析的影響，計算出橋梁、車輛振動加速度和輪底的接觸力。對今后懸索橋的動力設(shè)計和后期健康維護(hù)以及行車的安全性和舒適度評價有著及其重要的意義。
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蔣培文,賀拴海,宋一凡,王凌波,周勇軍.重載車輛-簡支梁橋耦合振動影響參數(shù)分析.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,35(2),205-210,288.
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作者簡介：陳斌（1989-），男，四川綿陽人，碩士研究生，主要從事橋梁動力研究方面的研究。
