特重车各轮相干桥面激励对斜拉桥随机振动的影响

陈水生　赵辉　李锦华　朱朝阳

摘要： 为了研究特重车各轮相干桥面激励对斜拉桥振动响应的影响，根据特重车左右轮的相干函数关系和前后轮的时间滞后关系，推导并建立了特重车各轮相干桥面不平顺激励的功率谱矩阵。基于车桥耦合振动理论和虚拟激励法分析特重车各轮相干桥面激励对大跨度斜拉桥车致振动响应的影响，研究结果表明：特重车各轮相干桥面激励增大了斜拉桥振动响应的离散程度，桥梁振动响应随着各轮桥面激励相干强度的提高而增大。斜拉桥在特重车各轮相干桥面激励下的振动响应受不同相干函数模型的影响较小。特重车各轮相干非平稳桥面激励的斜拉桥振动响应离散程度大于各轮相干平稳桥面激励，桥梁振动响应标准差最大值随着车辆加速度的提高而增大。斜拉桥的车致振动响应对多轮多点相干桥面激励很敏感，其振动响应的离散程度随着特重车轴数的增加而增大。

关键词： 车桥耦合; 桥面不平顺; 车辆各轮相干; 虚拟激励法; 特重车

中图分类号： U441.3; U448.27    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0318-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.007

引  言

随着跨区域货运的不断增加和汽车工业的飞速发展，公路运输因自身的优点成为现代物流行业的主力军，不同区域间的货物运输业务剧增，导致城市道路和高速公路上的运行车辆越来越多且车辆规格越来越复杂。与此同时，中国桥梁建设突飞猛进，目前全国桥梁总数达100多万座，其中公路橋梁数量83.25万座，已成为世界第一桥梁大国，各种类型的大中小跨径桥梁遍布各大交通要道。在满足经济发展需求的同时，逐年增加的交通量给在役公路桥梁带来巨大的压力和挑战，特别是大型载货汽车超重超限而导致的桥梁垮塌事故也时有发生，桥梁结构在移动车辆荷载作用下的使用寿命和运营安全备受社会关注。国内外学者对桥梁车致振动响应的研究从未间断，由起初的单自由度车辆荷载到多自由度多轴车辆荷载，从确定性多车过桥到目前的随机车流过桥，从研究中小跨径简支梁桥的振动响应到研究大跨度悬索桥的振动响应，做了很多工作，也创造了很多有价值的成果。这些研究表明，桥梁的车致振动响应取决于三个主要因素：桥梁、车辆和桥面不平顺。虽然学者们对不同结构形式的桥梁进行了大量的车致振动研究，但对车辆类型和桥面不平顺的研究依然存在不足：（1）在已有的车辆各轮相干桥面不平顺激励的桥梁振动研究中，车辆为二轴1/2车或三轴后八轮整车，所分析的桥梁为中小跨径桥梁，并非大规格的多轴拖挂车和跨径较大的大跨度桥梁。针对特重车在大跨径桥梁上行驶而引起的桥梁随机振动响应研究较少，特别是多轴特重车各车轮受到桥面多点不平顺随机激励的桥梁振动研究更少。事实上，中国重型货物的公路运输逐年增加，特重车出现的概率越来越大，且向大型化、拖挂化、集装箱化方向发展，公路桥梁在特重车荷载作用下的随机振动响应有待进一步探究。（2）在空间上处于车轮与桥梁间的桥面不平顺是桥梁产生随机振动的主要激励源之一，已有桥面不平顺随机激励的数值模拟，只是在时域内由不平顺功率谱随机生成多条时间历程样本作为系统激励输入，且没有考虑车辆各轮桥面不平顺激励的相干性，这其实只是桥面不平顺激励的一次实现，不能体现桥面不平顺的随机性特征，也难以体现桥面不平顺随机激励的桥梁车致振动响应的随机性。已有研究表明，虽然车辆各轮具有相同的功率谱密度，但左右轮迹间存在互谱，即具有相干性，再现两轮迹多点激励模型时应该考虑其空间相干性。为了体现桥梁振动响应的随机性，可以采用蒙特卡罗法对多条桥面不平顺样本激励下的桥梁振动响应进行统计分析，但必须取大量的不平顺样本进行多次桥梁振动响应计算，才能确保统计结果的准确性，耗费大量的计算时间。

因此，鉴于已有研究的不足，本文以六轴重载汽车为主要分析对象，在频域内考虑特重车各轮桥面随机激励的左右轮相干关系和前后轮时间滞后关系，推导特重车多轮多点桥面不平顺激励的功率谱矩阵，采用虚拟激励法将复杂的桥面不平顺随机激励转化为一系列虚拟的确定性激励，进而求解车桥耦合系统随机振动响应，分析多轴特重车各轮相干桥面激励对斜拉桥振动响应的影响。