基于跑车试验的桥梁冲击系数研究

彭世杰 梁家熙 王强

摘 要：通过对某钢混组合连续梁桥跑车试验结果进行分析，得到桥梁结构在特定车型及特定车速下可能发生冲击系数异常增大的情况。通过车辆相邻车轴间距，换算在不同车速下前后相邻车轴对桥梁的激励间隔时间，通过对比，当相邻车轴对桥梁的激励间隔时间接近桥自振周期时，桥梁动力效应增大明显，冲击系数显著增大。

关键词：桥梁跑车试验;冲击系数;车桥耦合

中图分类号：U446     文献标识码：A     文章编号：1003-5168（2021）36-0094-06

Research on Bridge Impact Coefficient Based on Vehicle Field Test

PENG Shijie   LIANG Jiaxi    WANG Qiang

（Zhuhai Communication Group Co.， Ltd.， Zhuhai Guangdong 519000）

Abstract：Through the analysis of the vehicle field test results of a steel-concrete composite continuous beam bridge，it is found that the impact coefficient of the bridge structure may increase abnormally under specific vehicle type and vehicle speed.According to the distance between adjacent axles of the vehicle，the excitation interval from adjacent axles to the bridge at different speeds is converted.By comparison，when the excitation interval of adjacent axes of the bridge is close to the natural vibration period of the bridge，the dynamic effect of the bridge increases significantly and the impact coefficient increases significantly.

Keywords：vehicle field test;impact coefficient;vehicle-bridge coupling

车辆的冲击作用一般表现为车辆行驶在桥上时产生的竖向最大效应大于车辆静停在桥上时的最大效应，二者比值一般称为动力放大系数（1+[μ]）。在我国公路桥梁设计规范中，[μ]表示冲击系数，车辆荷载的冲击力标准值为车辆荷载标准值乘以冲击系数[μ]。在设计中需要考虑冲击力的影响，即考虑冲击力影响的汽车荷载作用往往用车辆的重力影响乘以动力放大系数（1+[μ]）来表达[1-2]。我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）中使用的冲击系数计算方法以结构基频为主要参数[3]。

在实际桥梁运营中，由于随机车流下的车辆分布及汽车荷载大小十分复杂，桥梁的冲击系数大小除了桥梁结构本身的自振特性以外，还与车辆分布、车型、车速、路面粗糙度等因素有关，因此桥梁在实际运营中的冲击系数很难通过理论计算或通过模拟试验得到。我国现有的桥梁荷载试验规范，给出了在无障碍跑车试验下桥梁冲击系数的试验方法，试验往往采用一辆或多辆匀速跑车或跳车，无法真实反映在实际随机车流下桥梁的动力响应情况，且未给出具体的冲击系数评价体系。因此，桥梁冲击系数的研究依然是一个较大的难题，也是国内外学者一直研究的热点，其中关于车-桥耦合振动的研究尤为突出[4-7]。

本文主要根据（30+36+30） m钢混组合梁桥在固定车型的不同车速跑车试验中，实测动挠度及动应变结果，将试验车辆在形式过程中简化为多个固定间距的车轴作用，研究试验车辆在不同车速下前后相邻车轴交替作用在同一位置的时间差，分析车轴的激励频率与桥梁基频及桥梁实测冲击系数的关系。

1 桥梁概况

试验桥梁为（30+36+30） m三跨连续钢混组合梁桥，整幅桥标准宽25.0 m，设双向6车道，主梁横向共11片预制组合梁，预制组合梁形式为工字钢+10 cm预制板（C50混凝土），小组合梁之间横向间距为2.3 m，36 m跨1 280 mm到1 080 mm變高度Q345qD工字钢，30 m跨采用1 080 mm高Q345qD工字钢，预制组合梁吊装后桥面现浇20 cm整体现浇层（C50混凝土）与各组合梁工字钢采用剪力钉连接，主梁在墩顶处设置开口钢箱填筑混凝土横梁，其余位置各组合梁之间未设横梁。下部结构采用双柱式框架墩，墩柱中心间距8.4 m。设计汽车荷载等级为城-A级，桥梁标准横断面如图1所示，桥梁有限元模型如图2所示。

2 桥梁自振特性测试

在每一跨4分跨位置布置速度传感器，拾取桥梁结构在环境激励作用下桥梁各测点的振动响应，根据采集的速度数据进行频谱分析和模态分析，得到实测结构自振特性。测试结果如表1所示，典型的速度时程曲线及频谱分析结果见图3，实测振型与理论振型如图4所示。

试验桥梁实测基频为f=3.13 Hz，按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），当1.5 Hz≤f≤14 Hz时，冲击系数为 [μ=0.176 7lnf-0.015 7≈ 0.19]。

3 跑车试验-冲击系数测试

动力荷载作用于结构上，会在结构上产生应变与挠度，相应地可用测试仪器采集控制断面的动应变或动挠度，可根据控制截面测点在跑车试验时记录的动应变或动挠度曲线进行分析处理得到最大峰值ymax及最大平均值ymean，实测冲击系数[μ=ymaxymean-1]，冲击系数计算图示如图5所示[8-9]。

采用桥式位移计、应变片对36 m跨2片边梁（10#、11#）跨中截面进行跑车过程中动挠度及动应变测试，跑车采用一台重约35 t重车沿外侧车车道进行9～52 km/h车速跑车，测点布置图如图6所示。

在试验重车以实测速度8 km/h、19 km/h、23 km/h、35 km/h、46 km/h、52 km/h匀速跑车作用下，次边梁（10#梁）跨中动挠度响应测试曲线如图7所示。

在试验重车以实测速度8 km/h、19 km/h、23 km/h、35 km/h、46 km/h、52 km/h匀速跑车作用下，次边梁（10#梁）跨中动应变响应测試曲线如图8所示。

不同车速跑车作用下桥梁结构冲击系数[μ]测试结果如表2及图9所示。

由上可知，动挠度与动应变计算冲击系数值基本吻合，规律一致，基本上随车速增加动力放大系数增大，但 35 km/h车速下结构冲击系数异常增大，动力放大系数平均值为0.48。

通过该桥实测基频按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）计算该桥设计的理论冲击系数为0.19，而该桥在车速达到35 km/h时冲击系数平均值增大到0.48，达到设计冲击系数的2倍，46 km/h及52 km/h速度下实测值也分别达到0.24和0.37，均大于设计理论的冲击系数。由于跑车试验采用的是单一车辆加载，加载效率远达不到设计汽车荷载标准，同时，试验也无法模拟实际桥梁运营过程中的随机车流，基于匀速跑车实测冲击系数与设计理论值直接比较目前并无实际评价意义。

虽然跑车试验较为理想化，但从设计包络的角度来看，并不代表实际桥梁运营过程中不会遇见这种情况。因此，可以看出现有设计规范采用的理论冲击系数偏小，这是不利于安全的，特别是对于小跨径多梁组合桥的边梁或者次边梁，往往只需要1～2辆重车沿着外侧车道行驶就能使单梁达到加载效率。

4 车轴间距引起的间隔激励分析

本次跑车采用的试验重车为四轴车，车辆示意图及车辆信息如图10、表3所示。

已知车辆轴距L1为1.95 m，L2为3.10 m，L3为1.35 m，试验车辆在跑车过程中简化为多个固定间距的竖向车轴。由于车轴的间距固定，车辆行驶过程中每个车轴按照顺序作用在同一截面上的时间差与速度有关。在特定车速下相邻车轴对同一个桥梁截面间隔时间可能会与桥梁自振周期吻合，计算不同时速下试验车辆各轴距对应的车轴激励间隔时间及激励频率，如表4所示。

35 km/h行车时中轴1-中轴2距离（L2）作用间隔时间为0.201 s，间隔激励频率为3.14 Hz，与结构一阶频率3.13 Hz非常相近。因此，试验车在35 km/h行车过程中可能产生激励频率与桥梁自振频率耦合的现象，导致在该车速下冲击系数异常增大。

5 结语

①通过对试验车辆轴距与车速的计算分析，试验车辆相邻车轴在某一固定车速下，通过桥梁同一截面位置的间隔时间可能与桥梁自振周期一致，从而引起某一特定车速下车对桥的激励频率与桥梁自振频率耦合，导致冲击系数异常增大。

②在实际桥梁运营中，汽车荷载往往表现为随机车流荷载，较难出现固定车轴间距引起的持续间隔激励的情况，实际产生的荷载效率也会比跑车试验荷载效率大，不宜直接将跑车试验得到的冲击系数结果与设计规范理论计算结果进行比较。本试验反映的现象仅能在常规的无障碍匀速跑车中复现，对于不同的桥梁、不同的试验车辆所匹配的车速也会不一样。

③虽然跑车试验的方法较为理想化，但从设计安全的角度来看，并不代表桥梁实际运营过程中完全不会出现。根据跑车试验的冲击系数实测和设计规范值对比可以看出，现有设计规范采用的理论冲击系数偏小，这是不利于安全的。特别对于小跨径多梁组合桥的边梁或者次边梁，往往只需要1～2辆重车沿着外侧车道行驶就能使单梁达到加载效率。因此，在桥梁设计规范上采用更为理想的冲击系数设计理论非常有必要。

④影响桥梁冲击系数的因素较多，由于水平有限，本文中仅对不同轴距的相邻车轴间隔激励频率与结构自振频率耦合单一方面的因素进行分析，对于建议较为完善的冲击系数设计标准及评价的体系还需要更多的学者专家进行实践研究。

参考文献：

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