裝配式公路鋼橋車輛沖擊系數(shù)研究

1、徐關(guān) 堯， 等 ： 裝配式公路鋼 橋車輛 沖擊 系數(shù)研 究 裝 配 式公 路鋼橋 車輛 沖擊 系數(shù)研 究 徐 關(guān) 堯 刊、 宏 才( 總裝備部工 程兵科研二 所 北京 1 0 0 0 9 3 )劉 勇謝 峰 ( 解 放軍理工大 學(xué)工程兵 工程學(xué)院 南 京 2 1 0 0 0 7 )摘 要 通 過 研 究 和試 驗 發(fā) 現(xiàn) ， 裝 配 式公 路 鋼 橋 的 車 輛 沖 擊 系數(shù) 不 僅 與 跨 度 有 關(guān) ， 而 且 與 活 荷 載 大

2、小 、 車 輛 行 駛 速 度 以 及 橋 面 結(jié) 構(gòu) 有 關(guān) ； 提 出 了修 正 的 沖 擊 系數(shù) 計 算 公 式 。 所 得 結(jié) 論 對 于 橋 梁設(shè) 計 和 使 用 都 有 參 考 價 值 。關(guān) 鍵 詞 裝 配 式橋 梁 沖 擊 系數(shù) 動 力 系數(shù) 設(shè) 計 規(guī) 范 鋼 橋 R ESEAR CH oN I M PACT FACTo R Fo R PREFABRI CATED H I G HW A Y S TEEL

3、BR I DG ESXuGu a n y a oS u nH o n g c a i( No2I n s t i t u t eo fE n g i n e e rC o r p s ，Ge n e r a lE q u i p me n tH e a d q u a r t e r sB e i j i n g1 0 0 0 9 3 )L i uY o n gX i eF e n g( E n g i n e e r i n gI n

4、 s t i t u t eo fE n g i n er i n gC o r p s ， P IA Un i vo fS c i& Te c h ．Na n j i n g2 1 0 0 0 7 )AB ACT Ba s e do nr e s e a r c h e sa n dt e s t s ．t h ei mp a c tf a c t o rf o rp r e f a b r i c a t e dh i

5、g h wa ys t elb r id g e s i sr e l e v a n tt on o to nl ye f f e c t i v es p a n s ， b u ta l s ot h ewe i g h ta n dv e l o c i t yo fmo v i n gl o a d s ，a n dd e c k so ft h eb r i d g e s ．Ad d i t i o n a ll y，

6、t h er e v i s e df o r m u l a t i o no ft h ei m p a c tf a c t o ri sma d ef ort h ebr i d g e sTh ec o n c l u s i o n sd r a wnf r o m t e st sma yb ear e f e r e n c ef o rt h ed e si g na n de mp l o y me n to ft

7、 h eb r id g e s ．KEYW ORDSp r e f a br i c a t e db r id g ei mp a c tf a c t o rd y n a m i cc o e f f i c i e n td e si g ns p e c i f i c a t i o n s s t e lbr id g e在 移動 車輛 荷 載 作 用 下 ， 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 中產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力或 撓 度 大 于

8、車輛 在 靜 止?fàn)?態(tài) 下 產(chǎn) 生 的 應(yīng) 力 或 撓 度 ， 此項 應(yīng) 力或 撓 度 的增 量稱 為 動力 影 響 ， 它 與靜 止 狀 態(tài)下 的應(yīng) 力 或 撓 度 之 比， 稱 為 動 力 系 數(shù) 。在 橋 梁 設(shè) 計 規(guī) 范 中， 通 常 把 動 力 影 響 稱 為車 輛 荷 載 對 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 的 沖擊 系 數(shù)或 動 力 系 數(shù) ， 美 國用 1+ I M 表 示 ，英 國和 印 度用 1 + J 表 示 ， 前 蘇聯(lián) 和

9、我 國用 1+表 示 。 對 于鋼 橋 ， 我 國公 路橋 梁設(shè) 計 規(guī) 范 中規(guī) 定 ：1 5式 中 ， L 為跨 度 或影 響 線長 度 ， 單 位為 I T I 。對于在應(yīng)急交通保障中發(fā)揮重要作用的裝配式 公路 鋼 橋 ( 以下 簡 稱 裝 配 式 鋼 橋 ) 來說 ， 通 過 大 量 的 現(xiàn) 場測 試發(fā) 現(xiàn) ， 其 沖擊 系數(shù) 不僅 與跨 度 有關(guān) ， 而 且還 與 車輛 的 質(zhì)量 、 行駛 速 度 、 橋面 構(gòu) 造狀 況 等

10、有關(guān) 。對 于 2 1I T I 單 排 單 層 鋼 橋 在 重 1 7 0k N 載 重 車 分 別 以 1 5k m ／ h 和 3 0k m ／ h 通過時， 其 值分別為 0 ． 1 6 和 0 ． 3 5 。本文 研 究 了影 響裝 配式 鋼 橋 車輛 沖 擊 系數(shù) 的 主要 因素 ： 橋 跨 基 頻 、 橋 面 構(gòu)造 、 車 輛 的 質(zhì)量 和 行 駛 速 度 ， 并 提 出 了修 正 的沖 擊 系數(shù)計 算 公式 。1國內(nèi)外對

11、橋梁沖擊系數(shù)研究的回顧 移 動車 輛荷 載 對橋 梁 結(jié)構(gòu) 的動 力效 應(yīng)研 究是 隨 著 社 會生 產(chǎn) 的發(fā) 展 需 要 而 產(chǎn) 生 ， 并 隨 著 社 會 生 產(chǎn) 的 發(fā) 展 而 推 進(jìn) 的 。英 國從 1 8 2 5年 建 成 第 一條 鐵 路 時 就 開 始研 究移 動車 輛荷 載 對橋 梁 結(jié)構(gòu) 的 動 力效 應(yīng) 問 題 ， 于 1 8 8 7年提 出 了第一 個計 算 鐵路 沖擊 系數(shù) 的 經(jīng) 驗公式。在 1 9 2 2 ～

12、1 9 2 3 年 ， 美國的 F u l l e r 根據(jù)實測 結(jié) 果 ， 將 沖擊 系 數(shù) 表 示 為 隨跨 長 變 化 的 單 調(diào) 遞 減 函 數(shù) 。 近代 的研 究將 車輛 簡 化 為單 自由度 或 多 自由度 的彈簧 一 質(zhì)量 系 統(tǒng) [ 1 - 3 】 ， 來 摸 擬 計 算 汽 車 過 橋 問 題 ，討 論 了路 面平 整 度 、 車 輛 荷 載 的 大 小 以及 速 度 的 影 響。現(xiàn)代 的研究發(fā)現(xiàn)， 用橋梁結(jié)構(gòu)基頻 廠

13、 1 來表示與 沖擊 系 數(shù) 的 關(guān) 系 更 加 合 適 【· 引。 因 此 ， 有 的 國家 用 橋 梁基 頻 函 數(shù)來 表 示 沖 擊 系 數(shù) ， 有 的 國家 用 橋 梁 跨 度 函 數(shù)來 表示 沖擊 系 數(shù) ， 有 的 國家 用 橋 梁 跨 度 和 車 輛 質(zhì) 量 函數(shù) 來 表示 。 以下 是 部分 國家 橋 梁設(shè) 計 規(guī) 范 中所 規(guī) 定 的沖 擊 系數(shù) 。( 1 ) 加 拿大 ① o HB DC一1 9 7 9，

14、1 ≤ 1 ． 0Hz 時 ，= 1 ． 31 ． 0Hz ≤ f l ≤ 2 ． 5Hz時，= 1 ． 2+0 ． 1， 12 ． 5Hz ≤ ， 1 ≤ 4 ． 5Hz時 ，= 1 ． 4 54 ． 5Hz ≤ ， 1 ≤ 6 ． 0Hz時 ，= 1 ． 9—0 ． 1， 1， 1 ≥ 6 ． 0Hz 時 ，= 1 ． 3② o HB D C一1 9 8 2， 1 ≤ 1 ． 0Hz 時 ，= 1 ． 2 0第 一作 者 ： 徐 關(guān)

15、 堯 男 1 9 6 5年 5月 出 生 博 士 生 高 級 工 程師 收 稿 日期 ： 2 0 0 20 70 5S t e e lC o n s t r u c t i o n ．2 0 0 2 ( 5 ) ，Vo 1 ． 1 7 ，N o ． 6 12 1徐 關(guān) 堯， 等 ： 裝配式公路鋼 橋車輛 沖擊 系數(shù)研 究 面板 問有 5 ～1 5mm 的 問 隙， 實 際 上 就 形 成 r搓 板 路 ； 鋼橋面直接放在橫梁之上， 單

16、塊鋼橋面長度 只有 3m， 面 板之 間都有 3 ～1 0mm 的 間 隙 ， 其板 厚 只有 3 ～6mm。 車 輪 盲接 作 用 在鋼 板 上 。 圖 1為 鋼橋 面 ，圖 2為鋼 橋 面 工作 狀 態(tài) 。 l 六 j 此 ， 對 I ： 裝 配式 鋼 橋 ， 應(yīng) 考 慮 間 隙影 響 。 美 國 A AS HT O 橋 梁 設(shè) 汁規(guī) 范 中處 理 橋 面接 縫 對 沖擊 系數(shù) 影 響 的方 法 也適 用 j ： 裝配 式 鋼 橋

17、。 試 驗 表 明 ： 當(dāng) 解 放 C A 1 0 B 載 重 汽 車 以 2 0k m／ h的速 度 通 過 木 橋 面 板 的 裝 配 式 鋼 橋 時 ， 對 于 橫 梁 ，在 1 ． 9 0～ 2 ． 0之 間 ； 通 過 鋼 橋 面 板 的 裝 配 式 鋼橋 ， 對 于 橫 梁 ，在 0 ． 2～0 ． 3之 間 。通 過 體 系 可靠 性分 析 6 J 可 知 ， 2 1m 雙 排 單 層 加強(qiáng) 型 ( DS R) 鋼 橋

18、在履 帶 一5 0級荷 載 作 用下 ， 橫 梁 彎 曲應(yīng) 力失 效 模 式可 靠 指標(biāo) = 2 ． 3 5 7 ， 橋 跨 端 部 斜 桿 壓 桿 失 效 模 式 可靠 指 標(biāo) =2 ． 8 3 4 ， 跨 中撓 度 失效模 式 可 靠指 標(biāo) = 4 ． 5 3 2 ， 體 系 可靠 指標(biāo) =2 ． 2 7 4 。可 見， 橫梁 對 體 系可 霏度 的 影 響 最 大 。 因 此 ， 在 不 改 變 橫 梁 的 情 況 下 ， 為 r

19、提 高鋼 橋 的 體 系 可 靠 度 ， 應(yīng) 采 用 鋼 橋 面 板 。新 研 制 的 2 0 0型 裝 配 式鋼 橋 改進(jìn) r橋 面 系 ， 橫 梁 由 2 7 a號工 字鋼 改 為 4 0 0號 H 型鋼 ， 采 用 了 U 型 鋼 橋 面板 。 車輛 過橋 時很 平穩(wěn) 。圖 1 鋼 橋 面 圖 2 鋼 僑 向 _ L ． 作 狀 態(tài) ( 3 ) 車 輛 行 駛 速 度 對 橋 梁 沖擊 系 數(shù) 的 影 響 。對 于 永 久性 橋

20、梁 ， 由于 G遠(yuǎn) 大 rP， 故 車 輛 過橋 時 行駛 速 度 對 橋 梁 的沖擊 系 數(shù) 影 響 不 大 ； 而 對 1 丁 ： 裝 配 式 鋼 橋 ， 由于 P大 于G， 車 輛 行駛 速 度對 橋 跨 的 沖擊 影 響 越 大 。 考 慮 荷載 質(zhì) 量 影 響時 ， 兩端 簡 支 的 裝配 式鋼 橋 的 臨界速 度 為 V= 2fL。 表 2為不 同跨 度 的 裝配 式 鋼 橋 在荷 載 作 用時 的 臨界 速度 v一 由文獻(xiàn)

21、 [ 2 ] 知 ， 當(dāng) a= v／v ≈ 0 ． 5～ 0 ． 7時，動 力 系數(shù) ／ J最大 。 由表 2 可 知 ， 當(dāng) 車輛 行駛 速 度 V =表 2 有荷 載作 用時 的橋跨 臨界速度 口× V=0 ． 5×9 6～ 0 ． 7×9 6= 4 8～ 6 7k m／ h時 ，動 力 系數(shù) 最大 ， 即 當(dāng) V ≤ 4 8k m／ h時 ，隨 V 增 大 而增 大 ， 最 大 時 ≥ 0 ． 6 ；

22、 當(dāng) V≥ 8 8k m／ h 后 ，隨 V 增大 而 減 小 。 一 般 情 況 下 ， v ≤ 4 8k m／ h 。因 此 ，我 們發(fā) 現(xiàn) ： 當(dāng)車速 增 大 時 。 橋 梁 的動 撓度 也 增大 。對 2 1I T I 單 排 單層 裝 配式 鋼 橋 的試 驗 結(jié) 果 表 明 ： 住 車 速 V =0 ～2 5k m／ h的測 量 范 圍 內(nèi)， 沖 擊 系數(shù) 隨 車速 增 大 而增 大 。 在 1 7 0k N 載重 車 分 別

23、 以 1 0k m／ h和 2 5k m ／ h通過時， 對桁架的 值分 別為 0 ． t 6 和 0 ． 3 5 。3 沖擊 系數(shù) 的修 正 在 目前 的橋 梁 設(shè)計 規(guī) 范 中 ，與跨 度 L 或 基頻 廠 1 有 關(guān) ， 而 與車 輛荷 載 質(zhì) 量 P、 速 度 V 無關(guān) 。 從 上 述 分 析 可知 ，不僅 與 跨 度 L或 基 頻 - 廠 1 有 關(guān) ， 而且 與 車 輛荷 載 質(zhì) 量 P、 速 度 v 以及 橋 面 板 有

24、關(guān) 。顯 然， 若 荷 載無 速 度 ， 則不 可 能對 橋 梁 有 沖擊 影 響 。因 此 ， 建 議 車輛對裝配式鋼橋 的沖擊 系數(shù)修改如 下：( 1 ) 橫 梁 橋 面結(jié) 構(gòu) 、 車 輛 行駛 速 度 V 對橫 梁 的 沖擊 影 響 較大 ， 對 橫 梁 的 沖擊 系數(shù) 可 表述 如 下 ：①當(dāng) 橫 梁 上 為 木 橋 面 板 時，1+= 1+·V， 最 大 不超 過 2 ． 0 ， V ≤ 5 0k m／ h 。② 當(dāng)

25、 橫 梁 上 為 鋼 橋 面 板 時 ， 1 += 1 +·V， 最 大 不超 過 1 ． 7 5 ， V ≤ 5 0k m／ h 。( 2 ) 桁 架 橋跨 自振頻 率 - 廠 l 、 活荷 載 P與 恒 載 G 的 比例 關(guān) 系 、 車輛 行駛 速 度 V 對 桁 架 的 沖擊 影 響較 大 ， 對 桁 架 的 沖擊 系數(shù) 可表 述 如下 ：1 +i1+(一 0 ． 0 1 57 + 0 ． 4 0 68 ×l