（湖北省交通规划设计院，湖北，武汉，430051）
【摘 要】大跨径连续桥梁因为具有跨越能力大、抗震能力强、设计施工成熟以及经济性等特点，在我国公路桥梁设计中广泛应用，这种桥梁设计对于大跨径连续桥梁设计要求越来越大，其研究具有极高的理论价值和工程价值。
【关键词】大跨径连续体系桥梁；车桥耦合振动；研究
当车流经公路桥梁时，车辆本身的技术参数以及车辆自身的振动状态，会引起桥梁结构的变化和振动状态，另外，桥梁的振动状态还会影响到车辆的振动状态，桥面的状态等一系列因素的影响也会加剧对车桥之间耦合振动，两者之间车桥耦合振动相互联系、相互影响就产生了公路车辆和桥梁之间耦合振动的问题，所以，在公路以及桥梁建设中，建设一个具有高墩位大跨径预应力混凝土连续桥梁、连续刚构桥以及连续组合的桥梁很有必要，这些大跨径公路桥梁的建设具有成熟度高、良好经济性以及建设周期短等优点，在我国实际的公路桥梁建设中应用十分广泛，备受推崇。
一、公路大跨径连续体系桥梁车桥耦合振动的研究现状
（一）车辆分析模型
根据车桥耦合振动的研究，早期的车桥耦合基本上采用移动的单车或者是多车进行试验，但是随着计算机技术的发展以及有限元法和数值分析法的广泛的应用，现代车桥系统耦合振动的研究已经进行了车辆分析模型研究:车辆是由刚性底盘、悬架以及轮胎等组成的，各个结构部件具有悬挂、浮沉、伸缩、俯冲、横摆、侧倾等自由度，他们之间都是由各种阻尼器和弹簧原件组成连接的，具有线性和非线性的特征。
由于1/4车辆模型计算结果偏于保守，为三轴平面车辆模型，外观示意如图1且不接近真实车辆，故在此选择的车辆模型所示，车辆参数见表1所示。
同时车体的悬挂以及陈体、轮胎等部件在车辆运行的过程中，对桥梁垂直上是没有压力的，在车辆分析模型中一般不考虑车辆的伸缩位移因素，所以，根据车辆动力学研究，车辆垂直和横向振动之间的耦合度是很弱的，可以采用平面的方式进行分别计算，因此，在进行车辆垂直耦合度分析时，只要考虑到车体、悬架以及轮胎的沉浮、俯仰自由度等因素；研究车桥横向耦合度的问题时，则可以考虑各个部分的侧滑。横摆以及侧倾自由度的因素，根据以上这些因素可以制定出不一样的车辆分析模型和载重参数，依据不同的行驶速度、初始位置，同向或者是对向行驶在单车道或者是多车道上。
（二）桥梁分析模型
建立车桥耦合振动的桥梁的分析模型主要采用的方法就是有限元法和模拟动态坐标法，有限元法根据桥梁结构的形式的不同可以分为杆系和析段有限元法。一方面，杆系有限元法对于建立桥梁模型的自由度比较多，基本上采用“静力凝聚法”的方式进行缩减自由度，这样会产生相同的数值；对于一些复杂性的桥梁设计，采用这样的方式需要进行结构的对比，但是其操作需要进行简化，这样会造成一定的误差，所以，必须要结合板壳单元、实体单元以及杆系单元综合起来才能模拟出桥梁设计。
图2 桥梁有限元模型
图2展示的是以一座高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥梁为研究对象，跨径组合100m+160m+100m，主梁采用单箱单室截面，跨中处梁高3. 0m，支点处梁高9. 0m，桥面宽度13m，按双车道+紧急停车带设计，桥墩采用6. 5m(宽)* 6m(高)空心薄壁墩，墩高100m，该桥梁有限元模型如图2所示。
析段有限元分析最初是为空气振动分析桥分析提出的问题，即将光束的分析期间（典型地询问一个节）作为有限元为一个单位，和单位的四角联系点在一起。它的优点是一个显著减少的自度结构的数目，但它可以不考虑本地振动杆件的结构和对整体结构振动所产生的影响。此外，析梁结构变化的分析，
将导致一个新的分析部分推导单元刚度矩阵。
模拟动态坐标法是减少结构自由度的一个重要的方法。首先它只分析的是线性结构问题；另一方面只分析的是截面或者是等截面的支架或连续梁，不能就结构局部杆件的振动进行分析，对于复杂结构多振动参与贡献、计量较大的无法表现出特点，但是随着计算机技术的不断发展，有限元方法将成为桥梁耦合振动分析的主要方式。
二、车桥耦合震动研究的进展
（一）车辆分析模型的进一步完善
近几年大量的专家学者就车桥互相作用的模型分析上取得了重大进展，模型分析大多集中在二维平面内，但是对于车辆载重下空间效应的分析很少，主要是因为车桥相互作用下的空间效应研究很复杂，二维平面内对于支配阵型为纵向弯曲的桥梁是很准确的，由于实际中桥梁都会出现弯曲以及横向弯曲等，对于二维模型的分析来说，弯曲基频不能够准确的反应动荷载增量，车辆的垂直和横向模型与空间振动模型还需要研究。只有在车辆模型分析的基础上，进一步的研究车辆动力学之间元件模型，要充分的考虑到悬挂非线性问题，在车辆分析模型上增加其复杂性分析。
（二）桥梁在特殊荷载作用下的列车安全性问题
笔者认为，桥梁在风荷载作用下的车桥耦合振动问题，需要通过风洞实验，研究在无车、有车情况下结构气动参数，需要用数值的方式和方法进行大跨度桥梁的风场实验，要充分的考虑到风荷载作用下的桥梁和车辆的静风力、抖振力以及风与桥梁、车辆之间的相互作用力，并且考虑到车辆、桥梁以及风荷载状态下的动力分析和模型分析，为结构性的合理设计提供参数，同时就大跨度公路桥梁的设计预报出风速和封闭风速。
同时，从桥梁的振动相应对车辆的安全运行进行分析，一般情况下大跨度桥梁的跨度很大，多车道桥梁较多，车辆运行的时间是绝对的，所以，要对桥梁进行车桥系统的耦合振动的响应问题，大跨度桥梁的使用周期很长，地震下的长周期对于桥梁振动响应贡献以及响应时间的周期分量会得到增加。大跨度桥梁在建设中的横向刚度较低，地震位移响应大，对于车辆行驶的安全性很重要，因此，要参考公路地震荷载下的车桥系统的振动进行研究，要充分考虑水平地震影响，还要对纵向以及垂直地震的影响，做到水平、纵向和竖向各个组合的输入，所以建立具有三维立体功能的空间模型，对于车桥耦合振动分析很重要。
（三）车辆随机振动和动力可靠研究
国内采用确定性分析计算方法之前，这座桥的设计中，该桥梁所受到的力是确定，所以在负载下的桥梁响应是确定性的。然而在实践中，各种作用于桥体并在桥上响应的各种力包含大量的不确定性因素，即随机因素，汽车在桥梁上通过的时候，需要考虑到汽车的车型、重量、速度以及车距等，桥面的平整度、风载以及水对桥墩的冲击力、地震等等，桥梁材料、施工误差以及车辆自身速度等，有必要通过随机振动进行分析。在桥梁分析中可靠性问题可以纳入动态可靠性理论、桥梁结构动力分析、桥梁结构动力可靠性设计方法。
结论
随着近几年的发展，交通事业和桥梁结构的不断发展，车辆和桥梁之间的耦合振动分析对于车辆以及桥梁安全性具有重要的作用，所以要针对公路桥梁在风荷载以及地震、车辆自身条件下进行分析，只有这样，公路车桥耦合振动研究必将日益走向完善和成熟。
参考文献：
[1]王凌波，蒋培文，康馨，马印平，周勇军.公路连续刚构桥梁车桥耦合共振判定方法[J].中南大学学报：自然科学版，2014,11.
[2]陈水生.公路车桥耦合振动响应计算方法对比研究[J].华东交通大学，2011,03.
论文作者:杨芬
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年1月供稿
论文发表时间:2016/4/21
标签：桥梁论文; 车辆论文; 模型论文; 车桥论文; 结构论文; 公路论文; 荷载论文; 《工程建设标准化》2016年1月供稿论文;