冲击系数实测与规范取值偏差的趋势和成因分析

张宜

摘要：在桥梁设计中，我们采用冲击系数来体现桥梁结构在动力荷载下的动力增大效应。在结构实际分析设计计算中，动力荷载对结构的总效应往往采用静荷载效应乘以（1+μ）加以量化，所以μ的实际取值与规范取值的偏差，对桥梁结构的受力趋于保守或偏不安全起着至关重要的作用。

关键词：冲击系数，拱桥，动力特性

1.概述

改革开放来，随着我国经济的不断发展，公路事业的不断提高，公路货运能力逐渐地增强，车辆的数量和承载能力越来越大。随着巨大的交通量的出现，桥梁结构是否能符合结构承载能力的要求，已经成为土木工程界的焦点问题。车辆以一定的速度驶过桥梁，会造成桥梁结构的竖向强迫振动，由于振动惯性力的存在，就会产生动力增大效应。所谓的冲击系数是指，移动的车辆驶过桥梁结构时对桥梁结构产生的空间竖向动力效应的增大系数，国际上采用静力学的原理，将移动车辆荷载作用引起的动力增大效应用车辆荷载与增大系数乘积反映。动力增大效应是桥梁结构动力性能的综合指标之一。

在桥梁设计中，我们采用沖击系数来体现桥梁结构在动力荷载下的动力增大效应。在结构实际分析设计计算中，动力荷载对结构的总效应往往采用静荷载效应乘以（1+μ）加以量化，所以μ的实际取值与规范取值的偏差，对桥梁结构的受力趋于保守或偏不安全起着至关重要的作用。本文通过对大量桥梁实测冲击系数的分析，各种桥型桥梁的冲击系数实测值和规范取值会有不同程度的差异。对拱桥这种桥型而言实测冲击系数较规范取值往往会偏大较多，有时会偏大数倍，而对中小跨径的梁桥而言，实测冲击系数较规范取值又往往会趋向保守。因此，分析桥梁冲击系数的影响因素及变化规律，为桥梁的设计、施工、养护提供合理的建议，具有重要的现实意义。

2.试验方法

随着科学技术的不断进步，桥梁结构振动理论日趋成熟，包括冲击系数在内的以数值模拟为研究方向的车-桥耦合振动模型也越来越精确。计算机以及智能型采集系统的出现，为桥梁结构动态测试测试及分析奠定了基础。

动力系数是桥梁结构动力增大效应的反映，是用于评价桥梁结构安全性以及行车舒适性的主要指标之一。目前，国际上将结构动力系数定义为桥梁结构的最大动力变形与最大静力变形之比，在我国《大跨径混凝土桥梁的试验方法》（YC4—4/1978）中规定桥梁结构动力系数的计算公式为：

（1.1）

式中：Smax——动力荷载作用下实测检测部位的最大动力变形值（即最大波峰值）；

Smean——静力荷载作用下实测同一检测部位的最大静力变形值；

（1.2）

式中：Smin—与Smax在同一周期内的实测波谷值。

上述规范中规定的结构动力系数的计算方法即为动挠度相对静挠度的增量与静挠度的比值，现行的桥梁检测规程中规定，结构动力系数可以利用现场实测动挠度或动应变进行相关计算得到。移动荷载对桥梁结构的冲击系数是移动荷载过桥时对桥梁结构产生的竖向动力增大效应，可按下面的方法计算。

（1.3）

式中：Ydmax——实测动力响应曲线上的最大动力效应值；

Yjmax——实测动力响应曲线上的最大静力效应值；

在以上的冲击系数的计算方法中，响应值主要是基于实测动挠度曲线得到的，在无法实测动挠度曲线的情况下，可以通过控制部位处的动应变来计算得到。以上的两种方法，都是利用移动荷载作用下桥梁结构的动态增量来表现移动荷载对桥梁结构的动力冲击作用的。但是，对于工程实际而言，利用实测动位移来计算的冲击系数要比利用动应变计算的冲击系数更为可靠，原因是冲击系数反映的是桥梁结构动力性能，动挠度反映的是结构的整体变形，动应变反映的是结构控制部位的局部效应，用局部效应指标来评价整体效应指标的可靠性还有待于验证。

3、冲击系数的规范取值

目前，世界各国冲击系数的计算公式大都是基于实测数据分析，在对数据进行拟合的前提下，编制了相应的冲击系数计算规范或规程。我国公路建设过程中对桥梁冲击系数进行过两次规定，1989版桥梁设计规范规定桥梁结构的冲击系数是桥梁跨度的函数。2004版桥涵设计规范规定桥梁结构的冲击系数是结构基频的函数。其相应计算公式见表1。

表1 我国冲击系数规范

旧公路桥涵设计规范（JTJ 021-89） 现行公路桥涵设计规范（JTG D60-2004）

结构种类 跨径或荷载

长度（m） 冲击系数μ 结构种类 结构基频（Hz） 冲击系数μ

梁、刚构、拱上构造、柱式墩台

涵洞盖板 L≤5

L≥45 0.30 钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥 ?<1.5HZ

1.5HZ≤?≤14HZ

?>14HZ 0.05

0.1767ln?-0.0157

0.45

4、偏差趋势分析

结构分析计算中，汽车荷载的总效应采用汽车静力荷载效应乘以（1+μ）加以量化，μ的实际值与规范值的偏差，会引起桥梁结构的实际受力趋于保守或偏不安全。因此准确测量冲击系数，对实测值与设计取值的偏差进行分析，对判定结构的实际承载力和工作性能具有重要意义。根据设计规范对冲击系数的取值算法，为便于比较分析，分别绘制拱桥均值化后的跨径与冲击系数关系曲线（见图1，由于桁式组合拱桥的特殊性，没有列入本图中）。

图1 拱桥实测冲击系数随跨径的变化曲线

5、结论

新规范（公路桥涵设计规范（JTJ D62-2004）以后简称新规范）冲击系数是以主体结构的基频为单一参数进行区段对数计算得到，旧规范（公路桥涵设计规范（JTJ 021-85，）以后简称旧规范）冲击系数取值是仅与跨径有关采用区段线性插值计算得到。多数桥型的实测数据验证了新规范的取值较旧规范具有更大的合理性，但对于拱桥，实测值与规范取值均存在较大偏差，其中以旧规范的取值偏差更大。

参考文献：

[1] 王海城.拱桥汽车冲击振动实验分析与研究（硕士学位论文）重庆.重庆交通大学.2007

[2] 许鹏.桥梁结构冲击系数影响因素研究与试验分析（硕士学位论文）重庆.重庆交通大学.2013

[3] 施尚伟，向中富.桥梁结构试验检测技术[M].重庆大学出版社，2012.11.

[4] 公路桥涵设计规范（JTJ D62-2004）