车桥耦合振动方法评述

作者：张凤云

来源：《中国房地产业》 2017年第4期

【摘要】车辆通过桥梁时将引起桥梁结构的振动, 而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动, 这种相互作用，相互影响的问题就是车辆与桥梁之间的车桥耦合振动问题，利用车辆荷载作为激励，研究车桥耦合从而获得桥梁振动响应，逐渐被应用到工程领域中。

【关键词】车桥耦合；桥梁评估

近年来，随着中国交通运输系统的不断完善，交通高速化、重载化以及结构轻型化趋势日益增强，车辆与结构（道路、桥隧结构等）相互之间的动力耦合问题变得尤为突出。对车辆与结构耦合系统进行科学系统地综合分析研究，对于承受移动荷载作用的交通土建工程结构物的设计、建造、运营养护与检测均具有十分重要的意义。

1、车桥耦合振动研究经典理论及研究

1.1 国外方面

1）匀速移动常量力理论： 1905 年，俄国学者 Krylov A N[1] 首次研究了在匀速恒定力作用下简支梁的振动问题，由于当时的局限性，他的理论中车桥系统无耦合，相对较为简单。

2） 匀速移动简谐力理论：1922 年，Timoshenko S[2] 研究了一个简谐力匀速通过简支梁的情况，能够反应出车辆荷载的一些基本特点。

3） 匀速滚动质量理论：1937 年 ，Schauenkamp[3] 开辟思路，考虑到质量惯性力的移动荷载影响，来分析简支梁的动力响应问题，并得出了理论解。

4）匀速移动质量- 弹簧模型：1954 年，Biggs[4] 提出了将车辆分解为一个由质量和弹簧组成的系统，极大地推动了车桥耦合振动研究的进展。

1.2 国内方面

1941 年，李国豪[5] 教授首次研究了悬索桥在铁路列车荷载作用下的强迫振动问题和拱桥的车辆振动问题，此后，国内随即展开了对车桥耦合振动的研究。80 年代初，铁道部科学研究院程庆国院士、潘家英研究员[6] 指导其博士生们对车桥耦合振动进行了研究。1983 年，张健峰[7] 探讨了大跨度斜拉桥的横向刚度问题。80年代中期，西南交通大学沈锐利[8] 详细研究了刚桁梁桥的车桥空间耦合问题；北方交通大学夏禾、阎贵平[9] 等研究了考虑车- 桥- 墩- 基础系统的相互作用、车桥系统动力可靠性等问题，得到了许多有价值的结论。

1996 年，谭国辉[10] 将车桥看作一个整体，采用格栅比拟的方法，将一维的格栅桥梁与二维的车辆模型组合起来模拟他们之间的关系及相互作用。

2000 年，林梅、肖盛燮[11] 基于结构动力学，分析了连续梁桥在车载作用下的动态性能，结合模型数值模拟，讨论了不同车型、不同车速作用下的桥梁动态响应变化，以此分析影响结构动态性能的主要因素。2004 年，陈炎[12] 用正弦波模拟桥面不平整度，指出路面的不平整度不可忽略。2006 年，周新平[13] 在长安大学宋一凡教授的指导下，采用有限元 ANSYS 数值分析软件，通过有限元迭代分析方法对车桥耦合振动进行分析研究。

2、车桥耦合振动研究模型

在桥梁的分析模型方面，主要有限元数值模拟法（简称有限元法）和模态分析法。由于模态分析法局限性较大，且不适用于评价桥梁的局部振动。随着计算机程序的不断进步及有限元理论的发展，有限元法已成为建立桥梁模型的主要方法。对有限元法而言，最为重要的是（1）单元类型的选取（2）结构的离散方式（3）车辆仿真模型（4）求解方法。

大多数研究者利用有限元法进行车桥耦合振动问题的求解，一种是将车辆与桥梁看作两个子系统分别模拟，形成不同的模型，根据车轮和桥梁接触点处位移协调条件和力的平衡条件等进行迭代求解；另一种是将车辆与桥梁模拟成一个整体，使二者的刚度、质量、阻尼、自由度等高度耦合，共同分析。

3、发展前景

研究车桥耦合问题是试图通过车辆的振动响应来检测桥梁的性能。桥梁在运营过程中，承受的是车辆作用下的动荷载，对桥梁进行检测时，中断交通相对不方便，所以利用车辆荷载作为激励既方便又经济，逐渐被应用到工程领域中，具有较好的发展前景。