公路桥梁冲击系数适应性研究.docxVIP

文章编号：（）中图分类号：文献标识码：公路桥梁冲击系数适应性研究陈洪彬，谭平荣，赵国虎（中交公路规划设计院有限公司 北京市 ）摘要： 从国内外规范对比、实测冲击系数回归分析两个方面对公路桥涵设计通用规范（ ）规定的冲击系数进行了适应性分析。 结果显示，我国现行规范冲击系数取值与国外规范相比处于较高水准；结 构 基 频较大时，现行规范规定的冲击系数高于实测冲击系数；结构基频较小时，现行规范规定的冲击系数与实测冲击系数相 比有高有低；总体而言，我国现行规范关于冲击系数的规定是适应的。关键词： 公路桥梁； 冲击系数； 适应性在桥梁上行驶的车辆由于桥面的不平顺等原因会对桥梁产生动力冲击作用，在冲击作用的影响下， 车辆通过桥梁时所产生的效应通常大于静止在桥梁 上所产生的效应。 车辆和桥梁的相互作用是一个复 杂的动力学现象，取决于很多因素，如桥梁类型及其 固有振 动 频 率、车 辆 特 性、车 速、行 车 路 径、车 辆 数 量、车辆在桥上的相对位置等，设计中难以将这些因 素一一反映，为便于应用，设计规范中通常采用冲击 系数来表达车辆通过桥梁的冲击作用，即桥梁结构 的总竖向汽车荷载效应等于竖向汽车荷载静力效应 与其动力效应之和：但是现行规范对冲击系数的研究时，仅对 座钢筋混凝土、预应力混凝土、混凝土、砖石简支桥梁 进行了现场实测，实测桥梁样本较少且桥型单一，随 着各种交通车辆的数量的迅速增加、车辆行驶速度 和载重的迅速提高以及桥梁结构逐步轻型化，车辆 荷载及其他动力荷载对桥梁结构的冲击和振动影响 已成为桥梁结构计算分析中不容忽视的重要因素， 基于有限样本确定的冲击系数对其他桥型的适应性 值得探讨。国内外冲击系数比较世界各国对公路桥梁的车辆振动问题做了大量 的理论与实验研究，由于车辆引起的桥梁振动问题 的复杂性，目前世界各国的冲击系数基本上是在实 验基础上制定的。 由于各国在交通状况、桥梁设计 荷载标准、桥梁结构构造、工程安全储备以及研究水 平上存在差异，各国规定的冲击系数取值标准也各 不相同。 归纳起来，各国设计规范对冲击系数的规 定有两种形式：（）冲 击 系 数 作 为 跨 径 的 递 减 函 数；（）冲击系数作为桥梁基频的函数。为比较世界各国冲击系数取值的差异，将部分国内外规范的冲击系数计算汇总列于表和表。通过上面的比较可见，我国原 版规范的冲击 系数与国外规范相比取值偏小。 现行规范与同样采 用基频作为影响因素的加拿大规范相比，小跨径较 大，大跨径偏小，原因是加拿大 版规范规定的冲（） （）式中： 为在移动车辆荷载作用下，桥 梁 结 构在竖向产生的总荷载效应； 为在移动车辆荷载作 用下，桥梁结构在竖向产生的静力效应；（）为 考虑移动车辆荷载对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。由此可见，作为车辆荷载效应设计值的一个组 成部分，冲击系数的取值在一定程度上影响着汽车 荷载效应的取值，并且冲击系数可以反映不同恒活 载比例桥梁之间的差异，因此，冲击系数取值合理与 否对于公路桥梁而言非常重要。 我国现行规范的冲 击系数是利用现场实测数据按照概率统计和随机过 程理论进行统计分析，并选取主要因素经回归分析 确定的，取值时考虑到冲击系数的影响因素较多，对 分析结果作了适当的外延以提高适用性。收稿日期：公路 年 第 期表按跨径分类且理论分析结果通常需要试验结论来验证。 从工程应用的角度看，利用实桥实测确定的冲击系数能够 取得在各种因素综合作用下的实际情况，并可根据 实际情况选取控制性因素进行针对性分析，这也是 设计规范制订时常用的方法。实测方法冲击系数实测包括静应变测试、动应变测试和 数据分析 个主要步骤。 首先根据所测桥跨控制截 面的影响线，用标准汽车车列作用于控制截面的最 不利位置，测试其在相应荷载作用下的静应变（应力 或挠度）。 然后在各测试跨跨中和端部等关键截面 选取测点，将与静载试验相同的一行标准加载车辆， 以不同速度分别进行跑车试验，采用动态应变仪测 量桥梁各控制截面的动应变（应力或挠度）响应，求 得移动车辆过桥时的应变（应力或挠度）的时间历程 曲线。汽车荷载冲击系数可根据控制截面测点在跑车 实验时记录的应变（应力或挠度）的时间历程曲线分 析处理得到，按下式计算：表按基频分类击系数曲线与实际情况不符，加拿大规范关于冲击系数的规定为：当 时，；当 时， ；当 时，；当 时， ；当 时，。可见，加拿大规范规定桥梁结构基频为 时，冲击 系 数 为 ，而 基 频 为 的桥梁相当于跨径为 的桥梁，这 与世界各国规范的规定是相悖的，此外，加拿大规范 规定 基 频 大 于 的 桥 梁，冲 击 系 数 一 律 取 用，这也是不合适的，因为大于 的桥梁相当 于跨径为 以内的桥梁，将其规定为一个定值， 显然过于粗糙。 也正因为如此，在 版加拿大规范 中对冲击系数作了较大调整，将冲击系数改为轮轴 的函数，其中单轴、双轴，三轴以上取。从数值上看，我国现行规范冲击系数的取值高于 版规范，最大值仅比印度规范小，从总体上提 高了冲击系数的取值，并和与之关系更为明确的结 构基频关联，较原 版规范更合理。 （）式中：为动载作用下该测点最大应变（或挠度）值； 为 相 应 的 静 载 作 用 下 该 测 点 最 大 应 变（或挠度）值，其值可由动应变（或动挠度）曲线求得： （）（ ）式中：为与相应的最小应变（或挠度）值。实测数据按照上述方法，选取 座公路桥梁进行动载试验，结构形式包括简支梁、连续梁、刚构桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥，利用试验获取的应变时间历程曲线 分析得出了各座桥梁的实测冲击系数，如表 所示。 为了便于与现行规范进行比较，表中给出了结构的 基频及按照规范计算得出的冲击系数。现行规范冲击系数适应性分析我国现行公路桥 涵 设 计 通 用 规 范（ ）规定冲击系数按照结构基频计算，即：当 时，烄当 时，冲击系数实测汽车荷载引起的桥梁振动问题影响因素复杂， 尤其是对于实际结构特性而言，其桥面状况、结构特 性复杂，理论分析通常难以满足工程应用的需要，并（）烅 烆当 时，式中： 为基频。国家基频中国（）加拿大（）国家跨径中国（）美国（）日本（）前苏联（）德国印度 年第 期陈洪彬等：公路桥梁冲击系数适应性研究表实桥冲击系数实测值为了分析上述冲击系数规定的适应性，需利用实测冲击系数按照现行规范冲击系数的确定方法进行 回归分析，给出实测冲击系数与结构基频的关系，然后 比较基于实测数据的分析结果与现行规范的差异。实测冲击系数回归分析按照式（）所示的冲击系数与结构基频的关系，建 立冲击系数与结构基频单对数函数的线性回归模型：（）（） （）式 中： 为 第 座 桥 梁 的 冲 击 系 数；（）（）为第 座 桥 梁 的 基 频；、 为 回 归 系 数；令（） ，冲击系数 （） ，则式（）转化为：（）上式中回归系数可采用一元线性回归的最小二乘法进行估计，其中回归系数按下式计算： （） （）（） 利用表 所列数据，按照式（）和式（）即可计算得出与现行规范表达方式相同的实测冲击系数回 归模型：当 时，烄当 时，（）烅烆当 时，适应性分析为验证现行规范设计表达式与实际情况的适应性，将实测冲击系数的回归结果、实测值与规范表达 式确定的冲击系数进行比较，两种回归模型与实测 数据的对比结果如图 所示。图规范表达式与实测数据比较序号桥型结构基频冲击系数实测值冲击系数计算值拱桥梁桥梁桥梁桥拱桥梁桥拱桥梁桥梁桥拱桥梁桥梁桥梁桥拱桥斜拉桥拱桥悬索桥悬索桥斜拉桥悬索桥梁桥梁桥刚构桥梁桥梁桥梁桥梁桥梁桥梁桥梁桥梁桥公路 年 第 期由图 可见，随着结构基频的增加按规范表达式确定的冲击系数对实测冲击系数的包络性逐渐增 强，而结构基频的大小与桥梁跨径成反比，因此，对 于中小跨径的桥梁而言，按现行规范确定的冲击系 数大于实测冲击系数，以此设计的桥梁结构是偏安 全的，考虑到中小跨径桥梁汽车荷载效应占总效应 的比例较大，汽车荷载对这类桥梁的结构整体安全 影响较大，通过提高冲击系数来增大汽车荷载设计 效应，可以提高量大面广的中小跨径桥梁的安全储 备，现行规范在这一方面体现出了更好的适应性。在结构基频较小的范围内，实测冲击系数与规 范中的冲击系数相比有高有低，实测数据回归结果 大于规范值，基频较小的桥梁都是大跨径桥梁，此类 桥梁汽车荷载效应占总效应的比例很小，汽车荷载 对结构整体安全的影响较小，并且这类桥梁的冲击 系数本身就很小，因此，冲击系数对这些桥梁结构安 全性的影响更小。规范规定的冲击系数与实测冲 击 系 数 相 比 有 高 有低，小于实测冲击系数回归结果，鉴于此类桥梁汽车 荷载效应占总效应的比例很小，且这类桥梁的冲击 系数本身就很小，因此，现行规范的冲击系数对大跨 径桥梁而言是基本适应的。由此可见，我国现行规范关于冲击系数的规定 总体上是适应的，需要指出的是，本文主要针对用于 结构整体计算的冲击系数进行了研究，对于特大跨 径桥梁的局部构件（如斜拉索、吊索等）的冲击效应 需做针对性研究。参考文献： 公路桥涵设计通用规范北 京：人民交通出版社，王乐翼 简支桥跨结构的冲击系数计算方法和实验研究吉林大学硕士学位论文，杨振祥，陈水生，张期星 基于跑车试验的新欣南大桥 冲击系数研究交通标准化，（）田玉梅，何东坡，徐岩 桥梁冲击系数的探讨东北 林业大学学报，（）张利宁 统计方法分析桥梁冲击系数的研究 公 路交通科技，姜增国，瞿伟廉，邢 尚 青，张 进 跑车试验测定桥梁结 构冲击系数的理论及应用 武汉理工大学学 报，赵青 移动车辆荷载作用下梁桥的冲击系数研究安徽建筑工业学院学报：自然科学版，宋一凡，贺拴海 公路桥梁冲击系数的影响 因 素 分 析西安公路交通大学学报，（）李玉良，孙福申，李晓红 公路桥梁冲击系数随机变量 的概率分布及冲击系数谱公路，（）结语本文从国内外规范对比、实测冲击系数回归分析 两个 方 面 对公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范（ ）规定的