剎車制動(dòng)力對大跨度懸索橋的振動(dòng)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(shí)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(jì)與施工逐漸向著大、細(xì)、柔的方向發(fā)展。制動(dòng)力對懸索橋的振動(dòng)效應(yīng)變得更加突出，而振動(dòng)過大一方面會(huì)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(dòng)力對橋梁振動(dòng)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(dòng)車輛荷載對橋梁振動(dòng)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(gè)耦合系統(tǒng)來進(jìn)行研究。影響車-橋耦合振動(dòng)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(dòng)力、車輛懸掛系統(tǒng)、車輛軸距、車輛重量九個(gè)方面。隨著電子計(jì)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(dòng)的影響，車橋耦合振動(dòng)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(shí)際工程中的懸索橋進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn),測得了懸索橋的動(dòng)應(yīng)變、動(dòng)位移、振幅以及加速度等動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算得出沖擊系數(shù)，并將實(shí)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(jì)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(yàn)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(jì)算分析了不平順狀態(tài)下橋梁的動(dòng)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(jì)算，最終得到振動(dòng)的時(shí)程響應(yīng)。
C.S. Cai[4]基于宜昌大橋的數(shù)據(jù)，同時(shí)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?yàn)檠芯勘尘埃芯苛嗽谪Q向地震力和移動(dòng)荷載的共同激勵(lì)下大跨徑懸索橋的動(dòng)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(dòng)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(jià)值的結(jié)論對于懸索橋的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和動(dòng)力性能評(píng)估具有一定的實(shí)際意義。馮兆祥針對泰州大橋開展結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算，分析了不同移動(dòng)速度以及不同移動(dòng)荷載大小對于三塔兩跨懸索橋結(jié)構(gòu)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室就給出了實(shí)測后的剎車力加載關(guān)系圖線，相關(guān)的計(jì)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(dòng)有非常大的影響。隨后，1980年Gupta, R. K等同時(shí)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(shí)橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并證明了安裝在橋梁墩臺(tái)附近的蠕變耦合器對減少橋梁的振動(dòng)是非常有效的。K. Chompooming等[8]采用自編的橋梁振動(dòng)分析程序(DABS)對試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)力作用下的車-橋耦合問題的研究，主要是還是動(dòng)力荷載試驗(yàn)和基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下的數(shù)值分析兩個(gè)方面。簡支梁橋的車-橋耦合振動(dòng)問題的理論和試驗(yàn)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(shí)剎車時(shí)，大跨度懸索橋的動(dòng)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(dòng)分析的影響，計(jì)算出橋梁、車輛振動(dòng)加速度和輪底的接觸力。對今后懸索橋的動(dòng)力設(shè)計(jì)和后期健康維護(hù)以及行車的安全性和舒適度評(píng)價(jià)有著及其重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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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(dòng)影響參數(shù)分析.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(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(dòng)力研究方面的研究。
