基于车辆荷载作用下吊杆刚度对拱桥舒适性研究

杜祝遥

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714158

摘要：本文以某钢管混凝土拱桥为工程背景，研究了移动车辆荷载作用下拱桥的舒适性影响因素以及各因素与舒适性的规律性关系。利用有限元软件Midas/Civil建立模型，得出吊杆刚度对拱桥上行人舒适度有一定影响的结论，并得出相应变化的规律性，为拱桥的设计和舒适性研究提供一定的理论依据。

关键词：舒适性；车辆荷载；吊杆

近年来，随着经济的发展，国家的基础建设已经逐渐完成。桥梁数量的增多使车辆荷载作用下的舒适性研究也受到广泛关注。车辆移动引起的桥梁结构振动会对桥上行人的心理、生理产生影响，对桥上行人的舒适性造成一定影响。本文通过有限元模拟，将车辆运行时拱桥上因吊杆刚度不同产生的振动特性进行一定的模型建立及量化，分析影响因素规律性变化，得出结论对拱桥舒适性的设计有一定参考价值。

1 计算模型与方法

本文模拟出车辆荷载在桥梁上的运行后，计算出车辆运行时拱桥的动力响应。所使用的动力方程为式（1）：

Mt+Ct+Kxt=Ft（1）

其中M为质量矩阵，C为刚度矩阵，K为阻尼矩阵。

首先要明确本文是以大跨钢管混凝土拱桥结构为研究对象的，而具有移动特性的车辆荷载在对该大跨度的钢管混凝土拱桥作用时，对于阻尼、刚度、质量等特性来说影响是非常小的，所以在此次分析中忽略了阻尼、刚度、质量等特性因素的影响。即认为在移动特性的车辆荷载作用时时矩阵KMC是不变量。由此得到动力方程中只有Ft是随时间变化的简单函数，从而简化了计算过程中多变量的复杂解题过程，可以得到较精确的计算结果。现在节点荷载阵列Ft的合理确定决定着所得出的桥梁动力响应结果的精确度。在有限元分析中每个节点荷载都是随时间变化而变化的，根据在每个节点上移动车辆荷载为瞬时荷载，在有限元软件Midas中将其模拟成三角形荷载。

本文在综合比较后采用这种其所提出的振动感觉指标进行桥上行人的舒适性评定。其计算如下：

S=Vmax/2 ，VGL=20lg（S/S0）（2）

式（2）中S为振动刺激。Vmax为速度最大值，单位为cm/s。VGL为振动大小水平。S0为常数系数，S0=1.4×10-2cm/s。

根据所求的不同VGL，用公式（3）求得振动大小

lgVG=0.05（VGL-40），VGL≤40dBlgVG=0.03（VGL-40），VGL>40dB （3）

振动大小与行车舒适度的对应关系如下表所示。

2 吊杆刚度对桥梁舒适度的影响

吊杆在钢管混凝土拱桥系统的作用是将纵梁和横梁系统悬挂在拱肋下，桥面上的车辆荷载通过吊杆和桥面系将作用力传递到拱肋上，吊杆的作用在拱桥中是不可忽视的。目前现有的钢管混凝土拱桥吊杆材料基本都采用加预应力的1860钢绞线。本次研究时主要通过改变吊杆的直径来改变吊杆的刚度分析对舒适性的影响。拱桥原设计拱肋直径为50mm的截面，为研究吊杆刚度变化对移动车辆荷载作用下的钢管混凝土拱桥上行人舒适性的影响，通过改变吊杆直径而保持其余条件不变来实现，截面直径共分为三种工况，吊杆直径分别为80、50、30mm。根据这三种工况模拟计算出的结果进行对比分析，以60km/h（设计时速）的车辆荷载在拱桥上运行进行时程分析运算，提取出需要结果。车辆运行速度为设计时速时在各工况下提取出的节点竖向速度最大值。

各节点的振动大小VG值是随着吊杆直径的增加而减小的，说明吊杆刚度增大时拱桥上行人舒适性是不断提高的。当吊杆直径减小为30mm时，VG最值超过1.12，舒适度等级降低到3级。当吊杆直径增大到80mm时，VG最值降为0.82，舒适度等级为2级。因此得出结论，增大吊杆截面尺寸会提高桥上行人的舒适性。

3 结论

舒适度影响已经成为拱桥在设计时除稳定性和强度以外的新的設计考虑要点。本文通过有限元分析，模拟出了在相同速度同重量的移动车辆荷载下不同的吊杆刚度对钢管混凝土拱桥产生的量化的舒适度的影响得到以下结论：吊杆的刚度对桥上行人的舒适性也是有一定影响。吊杆刚度增大时拱桥上行人舒适性是不断提高的，即增加吊杆刚度能够提高拱桥上行人舒适性。

参考文献：

[1]严志刚，盛洪飞，陈彦江，桥面平整度对大跨度钢管混凝土拱桥车辆振动的影响[J].中国公路学报，2004，17（4）：4144.

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[3]王立宪，孙虎，狄生奎，项长生，高思思.基于不同間距荷载的拱桥舒适性研究[J].低温建筑技术，2015，（08）：4345.