杜祝遥

摘 要：本文利用有限元软件Midas/Civil建立模型，模拟车辆荷载在拱桥上运行，运算出拱桥上人行道节点在移动荷载下的振动响应。结果表明横撑数量对拱桥上行人舒适度有一定影响，并得出相应变化的规律性，为拱桥的设计和舒适性研究提供一定的理论依据。

关键词：振动感觉指标；舒适性；横撑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.197

随着桥梁数量的增多，行车及行人舒适性研究也受到广泛关注。根据舒适性的相关研究，车辆荷载通过桥梁以一定速度运行时，与桥梁结构的相互作用从而引起桥梁的震动，影响桥梁正常运营时车上人员与桥上行人的舒适性。因此，对拱桥在移动车辆荷载作用下的动力响应非常有必要。车辆移动引起的桥梁结构振动会对桥上行人的心理、生理产生影响，对桥上行人的舒适性造成一定影响。本文通过有限元模拟，分析拱桥上车辆运行时横撑数量不同产生的振动特性，分析影响因素规律性变化，得出结论对拱桥舒适性的设计有一定参考价值。

1 有限元模型建立与分析

本文建立如下模型：桥面全宽为21.5m，主跨为300m，矢高55m的下承式钢管混凝土拱桥。桁架结构由圆形钢腹杆和钢管混凝土主拱组成。采用有限元软件Midas Civil建立了该桥梁的有限元空间模型。钢管混凝土主拱肋用梁单元来进行模拟，将钢管混凝土截面中混凝土换算成钢材，钢管直径0.9m，厚度0.01m，材料使用Q235钢材，内部填充C50混凝土。拱肋腹杆为圆形钢管直径为0.35m，厚度为0.01m。吊杆为实腹圆形截面直径为0.05m。边界条件：固定主拱肋的两。主梁两端与主跨铰接，主梁与横系梁之间刚性连接。

利用子空间迭代法就该建立的有限元模型进行三维振动特性分析，得到下表结论。

2 横撑数量对桥梁舒适度的影响

采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中规定的车辆荷载进行建模，从规范中选取三轴车辆模型，车辆总重550 KN（前30KN，中240KN，后280KN），车辆的运行速度为60 km/h。模拟计算时，每2.5m的间隔作为一个荷载位置结点，根据上文求的t1=0.15s，t2=0.3s。根据自振周期将计算时间步长设成0.01秒，通过该桥梁的总时间为18秒。在设计时速下跨中截面最大竖向速度在车辆荷载通过跨中位置时，即在10.54s时发生最大竖向速度为0.0134m/s；车辆各节点竖向速度最大值计入表，其中的负值为向下方向的速度。

拱桥原设计横撑数量为5个“一”字型横撑对称分布，为研究横撑数量变化对移动车辆荷载作用下的钢管混凝土拱桥上行人舒适性的影响，本节通过改变横撑数量而保持其余条件不变的不同工况对舒适性进行研究。共分为四种工况，横撑数量分别为1、3、5、7，其中横撑对称分布，距离跨中横撑水平距离分别为±40m，±70m，±100m。根据这四种工况模拟车辆在拱桥上运行时计算的结果对比分析，以设计时速的车辆荷载在拱桥上运行进行时程分析运算，提取出需要结果。

各节点竖向速度最大值是随着横撑数量的增加而变小的，即说明横撑数量变多使各节点的竖向速度最大值变小，根据变化趋势来看，从工况一变化到工况四速度减小趋势变小，然后根据日本学者小掘为雄提出的振动感觉指标的理论计算公式，计算VG值。取各工况下最大VG值进行评定桥上行人舒适性，舒适性等级评定结果。

得出结论，可以明显看出各节点的振动大小VG值是随着横撑数量的增加而减小的，即拱桥上行人舒适性随横撑数量增多而不断提高。VG值由工况一的1.45到工况四的0.78并不是同一斜率下降的，也就是说当横撑数量增加到一定程度后对VG值的影响变小。工况三5个横撑（原设计）是满足舒适性要求的，当横撑数量增加到工况四7个横撑时振动感觉指标减小10%，在一定程度上提高了拱桥上行人舒适性。而且振动感觉指标VG值从工况一变化到工况四变化率是降低的，即当横撑数目增加到一定程度后对舒适性的影响会减小，即有一个最合适横撑数目。

3 结论

舒适度影响已经成为拱桥在设计时除稳定性和强度以外的新的设计考虑要点。本文通过有限元分析，模拟出了在相同速度同重量的移动车辆荷载下不同的横撑数量对钢管混凝土拱桥产生的量化的舒适度的影响，进而对桥梁不同横撑数量进行舒适度的量化与评价。得到以下结论：横撑数量对桥上行人的舒适性是有影响的。横撑数量变多时，拱桥上行人舒适性是随之提高的，即通过增加横撑数量可以提高拱桥上行人的舒适性。但当横撑数目增加到一定程度后对舒适性的影响会减小，即有一个最合适横撑数目。

参考文献：

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