刹车制动力对大跨度悬索桥的振动分析综述
2018-01-22
1、引言：
随着国民经济的不断发展，我国客运与货运量日益增长，行车速度和载重量也有大幅提高，车辆因交通事故，恶劣天气等原因而突然刹车的现象时有发生[1]，加上新型高强材料的应用，桥梁结构设计与施工逐渐向着大、细、柔的方向发展。制动力对悬索桥的振动效应变得更加突出，而振动过大一方面会使桥梁原有的工作性能发生变化，长期以往将直接影响其承载能力和使用寿命；另一方面也将严重影响行车的舒适性和安全性。因此，研究刹车制动力对桥梁振动的影响，对桥梁使用性能和行车安全都有着极为重要的意义。
移动车辆荷载对桥梁振动的影响是工程师和研究人员关注的课题，并且往往将车-桥问题作为一个耦合系统来进行研究。影响车-桥耦合振动的因素有很多，总结一下大致可以分为：路面平整度、桥梁跨度、桥梁自重、桥梁阻尼、车行速度、车辆制动力、车辆悬挂系统、车辆轴距、车辆重量九个方面。随着电子计算机的出现和有限元技术的发展，许多数值分析方法被提出用于研究各种因素对车-桥耦合振动的影响，车桥耦合振动研究得到迅速发展。
2、国内研究现状：
叶建峰，李晓宝等对实际工程中的悬索桥进行了动力试验,测得了悬索桥的动应变、动位移、振幅以及加速度等动力响应，计算得出冲击系数，并将实测结果与有限元结果进行了对比分析。对类似桥梁设计及桥梁养护极具参考意义。田仲初[2]建立了考虑纵向刹车或加速影响的有限元模型，并通过与半解析解对比验证有限元模型的正确性。刘钰编写Matlab程序模拟跳车、刹车两种特殊行车状况，并计算分析了不平顺状态下桥梁的动力响应。陈强将模拟结果与ABAQUS中的模型和有限元直接积分法结果进行了对比，蒋培文[3]先将桥梁与车辆模型均独立建立于ANSYS环境下，其耦合作用关系再通过APDL编程语言计算，最终得到振动的时程响应。
C.S. Cai[4]基于宜昌大桥的数据，同时考虑车辆数目、车辆速度、路面粗糙度和风速的影响，建立了车-桥-风耦合综合分析框架。姚忠达博士和捷克工程院院士Ladislav Fryba以意大利墨西拿海峡大桥为研究背景，研究了在竖向地震力和移动荷载的共同激励下大跨径悬索桥的动力反应特性。
彭献[5]教授研究了匀变速车辆与随机路面弹性支撑的桥梁耦合系统，讨论了车辆的加速度、弹性支撑的刚度以及路面的不平度系数对桥梁最大挠度、动接触力扩大因子以及行车的舒适度的影响。悬索桥作为其特例，这些有价值的结论对于悬索桥的动态设计和动力性能评估具有一定的实际意义。冯兆祥针对泰州大桥开展结构动力特性计算，分析了不同移动速度以及不同移动荷载大小对于三塔两跨悬索桥结构动力响应的影响。
3、国外研究现状：
早在1975年英国伦敦的道路运输研究实验室就给出了实测后的刹车力加载关系图线，相关的计算机模拟方法研究也一直持续着。
Kishan等[6]于1977年建立了理想化的桥梁模型，并证明了刹车力对梁的振动有非常大的影响。随后，1980年Gupta, R. K等同时考虑了路面不规则以及刹车力的影响，得出了简支梁和双向异性板的弯矩和变形。Chattjjee把桥理想化为正交各向异性板和集中质量分布模拟的梁，分析简支梁桥上车辆刹车和其初始弹力的影响。
韩国学者KWARK等[7]结合本国高速列车系统，得出了列车在刹车时桥梁的动态响应，并证明了安装在桥梁墩台附近的蠕变耦合器对减少桥梁的振动是非常有效的。K. Chompooming等[8]采用自编的桥梁振动分析程序(DABS)对试验结果[12]进行了论证。MICHALTSOS, G.T分别建立了单质量模型和双轴车辆模型，并得出了车辆在加减速状态下对简支梁振动的影响。
4、结论与建议
通过分析国内外研究资料，目前对考虑刹车制动力作用下的车-桥耦合问题的研究，主要是还是动力荷载试验和基于实验数据下的数值分析两个方面。简支梁桥的车-桥耦合振动问题的理论和试验研究逐步系统化，连续梁桥也有一定程度的研究成果。而对于悬索桥在这方面的研究内容还比较少。尤其不同桥位处多辆车同时刹车时，大跨度悬索桥的动力响应还有待进一步深入分析。因此，模拟刹车条件车辆荷载对大跨度悬索桥振动分析的影响，计算出桥梁、车辆振动加速度和轮底的接触力。对今后悬索桥的动力设计和后期健康维护以及行车的安全性和舒适度评价有着及其重要的意义。
参考文献
Suren Chen, P.E, M.ASCE1, Feng Chen, S.M.ASCE.Simulation-Based Assessment of Vehicle Safety Behavior under Hazardous Driving Conditions[J].Transp. Eng. 2010.136:304-315.
田仲初,杜嘉骅.车辆变速行驶状态下的车-桥耦合振动研究.公路与汽运,2011,6,130-133.
蒋培文,贺拴海,宋一凡,王凌波,周勇军.重载车辆-简支梁桥耦合振动影响参数分析.合肥工业大学学报(自然科学版),2012,35(2),205-210,288.
C.S. Cai, S.R. Chen. Framework of vehicle-bridge-wind dynamic analysis, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 2004,92,579–607
彭献,殷新锋,方志.变速车辆与路面不平弹性支撑桥梁的耦合振动分析.振动与冲击,2007,26(5) 19-37.
H.Kishan , R.W.Traill-Nash. A modal method for calculation of highway bridge response with vehicle braking. Inst,Eng,Aust,Civ,Engng,Trans,CE19, 44-50 (1977).
J.W. KWARK, S.KIM, S.P. CHANG, B.S.KIM. Longitudinal Dynamic Behavior of Bridges due to Train Braking. 16th Congress of iabse[R],lucerne, 2000
K.Chompooming,M.YFNFR. The Influence Of Roadway Surface Irregularities And Vehicle Deceleration On Bridge Dynamics Using The Method Of Lines.Journal of Sound and Vibration,1995, 183(4),567-589.
作者简介：陈斌（1989-），男，四川绵阳人，硕士研究生，主要从事桥梁动力研究方面的研究。
