李枝軍，吳曉超，徐秀麗，李雪紅

(南京工業(yè)大學 土木工程學院，南京 210000)

近年來，大跨橋梁行車振動舒適性的問題引起了廣泛的關注。一方面，汽車制造商不僅重視汽車的操縱穩(wěn)定性，更致力于提高汽車的行駛安全性和乘坐舒適性。另一方面，橋梁設計部門也從結(jié)構(gòu)的角度逐漸重視行車舒適度的設計。目前行車振動舒適性的研究主要以理論分析和數(shù)值模擬為主［1］，基于現(xiàn)場測試的研究較少。

行車振動響應信號具有非平穩(wěn)性和時變性，需要使用時頻分析方法進行分析。小波變換是一種在時間－尺度平面內(nèi)利用多分辨分析思想分析非平穩(wěn)信號的方法，該方法被廣泛應用各種非平穩(wěn)信號時頻域分析［2－3］。

為研究大跨橋梁的行車振動和行車舒適性，本文以國內(nèi)5座大跨橋梁為對象進行了不同車速下的行車內(nèi)部振動測試，并采用基于復Morlet小波變換的方法對實測振動數(shù)據(jù)進行分析，研究行車內(nèi)部振動規(guī)律，分析車輛自身動力特性、橋面自身動力特性、橋面不平整度以及車速等因素對行車振動的影響，結(jié)合國際ISO2631標準對大跨橋梁的行車振動舒適性進行分析。

1 大跨橋梁行車振動現(xiàn)場實測簡介

選取杭州灣大橋南航道橋和北航道橋、潤揚大橋南汊懸索橋和北汊斜拉橋以及蘇通大橋5座大跨橋梁進行了行車振動測試，5座大跨橋梁的簡況如表1所示。測試時選用同一輛轎車在同一天內(nèi)完成，測試采用型號為LC0161的三向低頻高靈敏度壓電傳感器，靈敏度為1 000 mV/g，測試位置選在車輛座椅的下方，采樣頻率為200 Hz。測量車速分60 km/h，80 km/h和100 km/h三種工況。

2 車輛內(nèi)部行車振動時頻域分析

為研究行車內(nèi)部振動的規(guī)律，采用基于復Morlet小波變換的時頻域分析方法對行車內(nèi)部振動信號進行分析，信號小波變換系數(shù)模的平方反映了信號在時間－空間尺度平面的能量密度分布，信號的能量主要集中在時間－空間尺度平面中小波脊線周圍［3］，小波變換的空間尺度反映信號的頻率分布。圖1為經(jīng)過杭州灣大橋時行車內(nèi)部豎向和橫向振動信號的時程曲線及其小波變換的時間－空間分布圖。豎向振動信號空間尺度變化范圍為1∶1∶1 000，對應的頻率范圍為0.7～700 Hz;橫向振動信號的空間尺度變化范圍為200∶6∶2 000，對應的頻率范圍為 0.1 ～3.5 Hz。

表1 行車振動測試橋梁簡況Tab.1 Introductions of the measured bridges for ride vibration

圖1 車內(nèi)振動信號的小波變換Fig.1 CWT of the vibration signal

圖2 車內(nèi)振動信號的頻譜Fig.2 PSD of the vibration signal

圖2 為經(jīng)過杭州灣大橋時行車內(nèi)部豎向和橫向振動信號的頻譜圖。從圖2(a)中可以看出車輛豎向振動的能量主要集中在1～2 Hz之間。從圖2(b)中可以看出車輛橫向振動的能量主要集中在1 Hz以內(nèi)。

車輛內(nèi)部振動與其自身動力特性密切相關，由于車輛自身動力特性的復雜性，行車內(nèi)部振動響應較為復雜。從圖中可以看出:

(1)車輛內(nèi)部的豎向振動信號的小波脊隨時間非線性變化，能量主要集中在車輛自振頻率附近，根據(jù)測試車輛的性能參數(shù)和相關動力特性測試試驗可知所用車輛系統(tǒng)的自振頻率在1.4 Hz附近。車輛的自振特性決定了車輛內(nèi)部豎向振動能量的頻域分布。

(2)車輛內(nèi)部的橫向振動信號的小波脊隨時間線性變化，能量主要集中分布在0.1～0.5 Hz左右，與橋梁橫向低階自振頻率相同。這說明車輛在橫向與橋面一起振動，橋面的振動特性決定了車輛橫向的振動特性。

3 行車振動影響因素分析

3.1 橋面動力特性對行車振動的影響

為研究大跨橋梁動力特性對行車舒適性的影響，利用基于環(huán)境激勵模態(tài)測試技術提取了潤揚大橋、蘇通大橋以及杭州灣大橋等多座大型橋梁的橋面動力特性。表2為杭州灣大橋北叉航道橋動力特性前兩階豎向和橫向振型自振頻率的識別結(jié)果和計算結(jié)果。

表2 杭州灣大橋北叉航道橋動力特性的計算值與實測值Tab.2 The measured and calculated frequencies of the Hangzhou Bay North Bridge

圖3 杭州灣大橋北航道橋橋面實測動力響應的頻譜圖(Hz)Fig.3 The PSD of the girder vibration of the Hangzhou Bay Bridge

圖3 為行車振動測試的同時獲取的杭州灣大橋北汊航道橋的橋面振動的頻譜圖，從圖中可以看出:

(1)橋面豎向振動的主要振動成分在1～5 Hz范圍內(nèi)，橋面的低價模態(tài)頻率的振動幅值較小。車輛荷載產(chǎn)生的激振頻率范圍通常在1～5 Hz范圍內(nèi)，這反映了車橋耦合振動對橋面振動的影響較大。

(2)橋面橫向振動的能量主要集中在兩個頻段，一個頻段位于橋面的低階模態(tài)頻率附近，這個頻段的振動主要是由于風荷載作用引起的;另一個頻段位于1～5 Hz附近，主要是由于車橋耦合振動引起的振動。與豎向振動不同，橫向振動分布在低頻范圍內(nèi)的能量較大。橋面橫向前兩階模態(tài)頻率對應的幅值較大，說明車橋耦合振動對橋面?zhèn)认蛘駝拥挠绊戄^小，橋面的側(cè)向振動主要是風荷載引起的振動。

3.2 橋面不平整度對行車振動的影響

圖4分別為蘇通大橋和潤揚大橋車輛內(nèi)部振動信號的時頻域分布圖。從圖中可以看出:車輛通過蘇通大橋時豎向振動能量較小，最大振動幅值約為0.3 g，整個行車過程中幾乎感覺不到振動;而車輛經(jīng)過潤揚大橋時，最大幅值約為1.0 g，乘客在整個行駛過程中均能感受到很大的豎向振動能量，且產(chǎn)生了車輛共振的現(xiàn)象，行車舒適性較差。由于通車時間的不同，根據(jù)現(xiàn)場情況可知潤揚大橋的橋面破損情況較為嚴重，蘇通大橋橋面不平整度較好，因此橋面的不平整度對行車豎向振動的影響較大。

圖4 蘇通大橋和潤揚大橋車內(nèi)豎向振動信號的小波變換Fig.4 CWT of the vertical vibration for the Sutong and Runyang Bridge

3.3 伸縮縫對行車振動的影響

圖5 為行車經(jīng)過杭州灣大橋主航道橋兩側(cè)伸縮縫時的振動信號，從圖中可以看出:行車經(jīng)過伸縮縫時振動幅值明顯增大，行車豎向振動的最大幅值達到1.3 g。在整個行駛過程中行車內(nèi)豎向振動幅值最大位置在橋面兩端的伸縮縫處。

圖5 杭州灣大橋南(北)航道橋豎向行車振動小波變換Fig.5 CWT of the vertical vibration for the South(north)Hangzhou Bay Bridge

3.4 車速對行車振動的影響

為研究車速行車振動的影響，測試過程中采用了60 km/h、80 km/h和100 km/h三種行車車速。表3統(tǒng)計了5座大橋的行車內(nèi)部振動在豎向、橫向和縱向的有效值，圖6為豎向行車振動的對比圖，圖7為橫向行車振動的對比圖。

表3 5座橋梁行車內(nèi)部振動的有效值(單位:g)Tab.3 The effective value of ride vibration of the 5 bridges

從表3和圖6中可以看出:隨著車速的增加，行車內(nèi)部的豎向振動顯著增加。杭州灣大橋和潤揚大橋的振動幅值基本相同，由于蘇通大橋通車較晚，橋面不平整度最好，因此其豎向行車振動最小。

從表3和圖7可以看出:隨著車速的增加，行車內(nèi)部的橫向振動隨之增大。潤揚大橋的橫向振動值較小，杭州灣大橋的橫向振動值較大。由于杭州灣大橋是跨海大橋，風荷載對橋面和車輛的橫向振動影響較大。在風速較大的情況下，行車振動隨著車速的增加而急劇增大。

圖6 不同車速下行車內(nèi)部豎向振動的有效值Fig.6 The effective value of the ride vertical vibration under different velocities

圖7 不同車速下行車內(nèi)部橫向振動的有效值Fig.7 The effective value of the ride lateral vibration under different velocities

4 行車振動舒適性分析

國際標準ISO2631［7］用加速度均方根值(RMS)給出了1～80 Hz振動頻率范圍內(nèi)人體對振動反應的三個界限，如圖8所示。從圖8中可以看出:坐姿時人體對4～8 Hz上下垂直振動最為敏感，實測四座大橋的豎向行車振動的能量主要集中在1.4 Hz左右。雖然5座橋的豎向振動加速度值比較大，但是振動能量傳遞率低，對人體影響不大。對于橫向振動，人體對1～3 Hz的橫向振動最為敏感，且比豎向振動更易讓人感覺不舒適?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)顯示5座大橋的橫向振動頻帶主要分布在0.1～0.5 Hz左右，橫向振動的能量主要集中在低頻段，雖然橫向振動的有效值較豎向的低，但由于人體對低頻率橫向振動較為敏感，因此橫向振動更容易引起人體的不舒適。對于杭州灣跨海大橋，在風與波浪的激勵下更容易引起橋面以及車輛的橫向振動。

圖8 ISO 2631中人體對振動反應的不同界限Fig.8 Evaluation of human exposure to vibration

5 結(jié)論

本文選取了5座大跨橋梁開展了行車振動測試與舒適性分析，通過利用小波變換的時頻域分析方法對行車內(nèi)部振動的規(guī)律及其影響因素進行了研究?？梢缘玫揭韵轮饕Y(jié)論:

(1)行車內(nèi)部豎向振動和車輛自身動力特性密切相關，其振動能量主要集中在車輛自振頻率附近。行車內(nèi)部的橫向振動和橋面的動力特性關聯(lián)性較大，能量主要集中在橋梁橫向自振頻率附近，且以低頻振動為主。

(2)橋面的不平整度是影響車輛豎向振動的主要影響因素。橋面不平整度較差的大跨橋梁，其行車振動較大，且容易引起車輛共振現(xiàn)象的發(fā)生。通常情況下，橋面伸縮縫處的行車振動最大。

(3)行車內(nèi)部振動隨著車速的增加而增大。行車內(nèi)部豎向振動幅值和車速大小成比例的增加;行車內(nèi)部橫向振動在風速較大的橋面隨風速的增加而增大，當車速超過80 km/h時，行車內(nèi)部橫向振動急劇增加。

(4)從行車舒適性角度分析，5座大橋車內(nèi)豎向振動的能量分布與測試車輛動力特性參數(shù)相關，主要集中在1.4 Hz左右，不處于人體敏感的振動頻率范圍，對人體振動舒適性影響較小;而5座大橋的車內(nèi)橫向振動頻帶主要分布在0.1～0.5 Hz左右，處于人體振動感覺敏感區(qū)域，橫向振動很容易引起人體的不舒適。因此在今后的研究中，橫向振動對人體舒適性的影響應該引起足夠重視。

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