车辆对桥梁伸缩缝冲击效应的实验研究

2022-03-08吕俊平韩凌霞丁勇

工程建设与设计 2022年1期

吕俊平，韩凌霞，丁勇

（1.金华市交通工程质量监督站，浙江金华 321302；2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310063；3.宁波大学土木工程系，浙江宁波 315211）

1 引言

Steenbergen[3]研究了伸缩缝的动力特性，建立了数学模型并结合试验结果，认为车轮荷载的冲击系数在0.1～0.5 的范围内；谢旭[4]等通过实测车辆在不同车速下经过桥梁时产生的动力响应发现，车辆对伸缩缝造成的冲击响应比对桥跨产生的振动响应更大；丁勇[5]等为反映真实情况下车轮经过伸缩缝时与地面的接触，提出了一种分布式弹簧-阻尼单元模型；张露[6]等提出了一种载重车辆-伸缩缝耦合系统垂向动力学模型，分析发现载重车辆通过大位移桥梁伸缩缝时产生的最大冲击系数已超过国内现行规范。

本文采用缩尺模型实验的方法，建立了由弹性车轮和刚性车体组成的车辆模型及槽形铝合金桥梁模型，通过步进电机控制系统牵引车辆匀速移动，对移动车辆通过桥梁伸缩缝时的局部冲击效应进行实验研究，采用车辆经过伸缩缝处时的前轮动态轮压作为评价指标，分析行车速度、小车质量及伸缩缝宽度等参数对冲击效应的影响。

2 车辆与伸缩缝的缩尺模型实验系统

2.1 桥梁及伸缩缝模型

建立桥梁与伸缩缝的缩尺实验模型，采用1∶30 的三跨简支梁，其中第一、第三段为引桥，中间较长的第二段为简支梁主桥，模型照片如图1 所示，材料为铝合金。主梁支座一端采用滚动轴承简支（见图2），另一端直接简支在同一水平高度的2 个竖向动态力传感器之上。为降低外界振动及噪声对桥梁产生的影响，将桥梁支座固定在具有一定重量的型钢上。伸缩缝如图3 所示，设置在引桥与主桥之间，通过预留一定宽度的平行缝来模拟实际桥梁伸缩缝。

图1 缩尺实验模型示意图

图2 主桥滚动轴承简支端示意图

图3 桥梁模型伸缩缝示意图

桥梁相关参数如表1 所示。

表1 桥梁参数列表

2.2 车辆模型

车辆模型采用1∶30 的两车轴缩尺模型，实验照片如图4所示，具体可细分为车身钢板、砝码块、导向轮装置、车立柱、悬挂及车轮6 部分，其中车辆模型长15 cm，宽9 cm，前后轴距10 cm，左右轮距8 cm，整车质量为4.6 kg，可通过加减砝码调整整车质量。

图4 加载砝码块的试验车辆模型照片

车体的悬挂系统由弹性橡胶车轮、车体弹簧构成，可以反映真实车辆的振动特性。车辆由牵引系统带动运动，动力由系统端部的调速电机产生，通过钢丝绳牵引车辆运动，运动路径包含3 段桥梁模型，因此，可以模拟车辆通过伸缩缝时的桥头跳车。

2.3 测量系统

实验时在上桥端梁支座处（见图2）安装2 个冲击力传感器来测量小车上桥过程的冲击力。通过信号数据线将试验装置上的线性位移计、力传感器与信号采集系统相连接，再接线至计算机，实验时冲击力由数据采集系统的专业软件DASP 10 采集记录及存储数据。

3 缩尺模型实验结果及分析

实验采用总重为4.6 kg 的小车，通过调整伸缩缝的宽度、小车行驶速度进行试验，其中车速的变化范围为0.1～1 m/s，间隔速度为0.1 m/s，伸缩缝宽度的变化范围为0～3 mm，间隔宽度为0.5 mm。

实验过程中通过桥端底部传感器测量冲击力，传感器接触点位置距离桥端部仅为0.5 cm，因此，在小车经过伸缩缝上桥的短距离内，通过力的平衡关系将动态反力变化值与轮压对滚动轴承简支端取矩应相等计算出的差值非常小，可忽略不计，测量得到的2 个传感器合力可近似等同于前轮动态轮压，结果如图5 所示。

而在诸多困难中，又属中国古诗中意象的翻译最难。意象是我国古典诗学关于创作和鉴赏的核心概念，也是我国传统美学的重要范畴。它是客观物象与主观情思的融合，而且一些意象被历史传统赋予了特有的文化内涵，沿用至今。比如，在中国文化中，“柳树”代表着离别。因为古代和亲友分别的时候，人们通常赠予柳枝以表离别的伤感之情。而且“柳”在汉语中谐音“留”，意为让朋友留下，承载了悠久的文化内涵。这样丰富的文化意象如果在翻译过程中丢失了，一定程度上连整首诗的诗魂也就丢失了。

图5 支座冲击力实测值

采用冲击系数m 表示车辆对桥梁的冲击作用，其表达式如式（1）：

式中，Rdmax为移动荷载作用下的最大冲击力，Rs静荷载作用下的同一响应值。

将4 种不同宽度伸缩缝情况下，小车前轮轮压冲击系数与速度关系绘制如图6 所示，可以看出速度在1 m/s 范围内，无论是哪一种伸缩缝宽度，小车前轮轮压峰值是随小车行驶速度增大而增大的。

图6 不同伸缩缝宽度下的跳车冲击系数

将5 种不同行车速度情况下，小车前轮轮压局部冲击系数与伸缩缝宽度关系绘制如图7 所示。同样可以看出，在不同行车速度下，前轮轮压冲击系数都是随伸缩缝跨度增大而增大的，行车速度为0.9 m/s，伸缩缝宽度为3 mm 时，最大局部冲击系数可达0.85。

图7 不同行车速度下的跳车冲击系数

以上试验都是车重为4.6 kg 情况下对车轮局部冲击的研究，本文还进行了关于车辆质量参数对局部冲击的影响研究。图8 为小车在速度0.5 m/s 时，小车质量与前轮轮压局部冲击系数关系图，可以看出，随着速度的增大，局部冲击系数越小。这是由于车轮与桥面的接触面积随着小车质量的增大而增大，降低了对伸缩缝的冲击力，使冲击系数减小。