趙勝利　王鑫

【摘 要】主要結(jié)合參考文獻(xiàn)資料，介紹了橋梁設(shè)計(jì)中，對行車舒適性影響的主要因素，針對現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)方法，提出了基于行車舒適性新理念下的的橋梁設(shè)計(jì)概念，在橋梁的設(shè)計(jì)中，加入舒適性指標(biāo)的因素，形成行車舒適性理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)新方法。

【關(guān)鍵詞】行車舒適性；預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁；設(shè)計(jì)

1 行車舒適性在橋梁設(shè)計(jì)中的影響因素分析

車汽車輛在橋梁上行駛與在道路上行駛相比，橋梁引起車輛振動(dòng)的原因尚涉及橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，橋梁上拱和橋面鋪裝平整度。橋梁橋面鋪裝平整度對行車舒適性的影響與道路路面平整度類似，所以需要討論總結(jié)前兩者的作用。

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)

在車輛動(dòng)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這種振動(dòng)除會(huì)增大按靜力計(jì)算的內(nèi)力和可能引起結(jié)構(gòu)局部疲勞損傷外，會(huì)形成影響橋上行車舒適與安全的振動(dòng)變形和加速度。車輛動(dòng)荷載相對于橋梁來說，屬于擾動(dòng)力，此擾動(dòng)力的頻率與橋梁的固有頻率相等時(shí)，則此“汽車-橋梁”耦合系統(tǒng)發(fā)生共振，這時(shí)，橋梁振動(dòng)的振幅將隨時(shí)間逐步增長至一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值，橋梁對橋上行車舒適性的影響也最大。分析“汽車-橋梁”耦合振動(dòng)系統(tǒng)，要分析其共振條件。由于汽車車輛荷載是移動(dòng)的，而且其本身也是一個(gè)帶有質(zhì)量的振動(dòng)系統(tǒng)，使“汽車-橋梁”耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性隨荷載位置的移動(dòng)而不斷變化，其結(jié)果是共振條件只能在短時(shí)間內(nèi)滿足，并且車輛荷載在橋上通過的時(shí)間也是有限的。這是“汽車-橋梁”耦合振動(dòng)的特點(diǎn)。

1.2 橋梁的上拱

橋梁過度上拱，導(dǎo)致橋面呈波浪形，車輛高速通過時(shí)，橋面的高低起伏給車輛的車輪施加位移動(dòng)擾動(dòng)，這種激勵(lì)導(dǎo)致車輪振動(dòng)，進(jìn)而引起車身異常振動(dòng)，嚴(yán)重降低了行車舒適性，使汽車司乘人員產(chǎn)生不安全感。

公路橋梁，尤其梁式橋汽車荷載占的比例小，結(jié)構(gòu)剛度大，車輛（小型車）與橋梁的動(dòng)力耦合作用不明顯。但對于中小跨度梁式橋，由于其它因素，如多跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁的長期上拱形成的有規(guī)律的波形擾動(dòng)對行車舒適性的影響被忽視。

對于多跨等跨的中小跨徑橋梁而言，梁體上拱形成了周期性的波形線形，對高速行車造成了有規(guī)律的波形擾動(dòng)，當(dāng)車輛以一定的速度V（速度較快）通過該多跨橋梁時(shí)，擾動(dòng)周期T=L/V，擾動(dòng)頻率f=1/T=V/L，當(dāng)擾動(dòng)頻率接近或達(dá)到車輛懸掛系的固有頻率時(shí)，則橋梁徐變上拱對車輛振動(dòng)響應(yīng)的放大作用最大，嚴(yán)重影響行車舒適性。

2 基于新理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)探討

2.1 行車舒適性理念下的設(shè)計(jì)

據(jù)了解，目前我國公路橋梁的設(shè)計(jì)諸多原則中，并不包括使用舒適（即行車舒適）這一概念。目前的設(shè)計(jì)原則中，包含了適用耐久的這一原則，雖然包括了“橋梁結(jié)構(gòu)在通過設(shè)計(jì)荷載時(shí)不出現(xiàn)過大的變形和過寬的裂縫”的基本做法內(nèi)容，但是使用中的橋梁出現(xiàn)的“過大的變形”的程度并未得到控制和處理，世紀(jì)鐘，車輛荷載作用下的過大撓度對行車的舒適性造成了很大的影響和干擾，而這些內(nèi)容，對于引起行車不舒適的過大上拱問題，設(shè)計(jì)原則中并未進(jìn)行過多的說明。

橋梁作為一種特殊的產(chǎn)品，由于其巨額的建設(shè)成本，以及建成后所帶來的巨大的經(jīng)濟(jì)效益，更是需要橋梁設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念與時(shí)俱進(jìn)，突出以人為本的設(shè)計(jì)理念，把使用者（即司乘人員）的需求及時(shí)不斷地體現(xiàn)在設(shè)計(jì)中。正因如此，論文結(jié)合文獻(xiàn)資料，基于行車舒適性的設(shè)計(jì)理念下，將使用舒適作為橋梁設(shè)計(jì)的一個(gè)原則，在設(shè)計(jì)中不僅保證安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀，還需保證使用階段司乘人員的行車舒適性。

2.2 行車舒適性理念下的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)

相關(guān)參考資料研究，對于一定設(shè)計(jì)行車速度下，一定跨數(shù)組合的梁式橋（即多跨中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁），梁體過度上拱是引起行車不舒適的主要原因。通過建立雙自由度的1/4車輛簡化模型，模擬過橋車輛，可建立行車舒適程度與上拱度值之間的直接的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而可以用上拱度值這一設(shè)計(jì)指標(biāo)，直觀的反應(yīng)行車舒適性。

行車舒適性屬于使用性能，在梁式橋的設(shè)計(jì)中屬正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)范疇。目前我國公路橋規(guī)規(guī)定，在橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的持久狀況中，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)涉及構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度三個(gè)方面的驗(yàn)算，而對直觀反映行車舒適性的橋梁上拱度值，則未提及。而事實(shí)上，由于司乘人員對橋梁行車舒適性方面的需求越來越強(qiáng)烈，行車舒適性應(yīng)該成為橋梁設(shè)計(jì)所必須考慮的因素指標(biāo)之一。

高速公路中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)必須考慮行車舒適性的需求，體現(xiàn)行車舒適性的設(shè)計(jì)理念，行車舒適性指標(biāo)通過橋梁梁體上拱度值反映出來。基于行車舒適性理念下的中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的基本設(shè)計(jì)方法為：

在進(jìn)行持久狀況的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，除涉及原有的構(gòu)件抗裂、裂縫寬度和撓度三方面的驗(yàn)算外，還需要加上構(gòu)件上拱度的驗(yàn)算，上拱度值不應(yīng)超過最大允許上拱度值[d]（即不影響行車舒適性的最大上拱度值）?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，高速公路設(shè)計(jì)行車速度有80、100、120km/h三種標(biāo)準(zhǔn)，因此具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對橋梁的設(shè)計(jì)行車速度選用與之相對應(yīng)的最大允許上拱度值[d]進(jìn)行計(jì)算處理。

橋梁上拱度是由偏心預(yù)加力Np引起的上撓度和恒載所產(chǎn)生的下?lián)隙葍刹糠纸M成。與橋梁撓度計(jì)算相比，上拱度計(jì)算不計(jì)活荷載作用。有研究資料表明，由于車輛高速行駛（時(shí)速80km/h及以上）時(shí)，車間距較大（交通法規(guī)規(guī)定：高速公路行車的安全距離（車間距），正常情況下，行駛時(shí)速100km/h時(shí)，為100m以上；時(shí)速70km/h時(shí)，為70m），對于中小跨徑橋梁而言，同時(shí)通過某一跨橋梁的車輛數(shù)量很少，即同時(shí)作用在某一跨橋梁上的活荷載很小，因而此時(shí)活荷載對橋梁產(chǎn)生的下?lián)隙纫埠苄。究梢院雎?。故?jì)算橋梁上拱度時(shí)，只考慮預(yù)加力和恒載的作用，而忽略活荷載的作用，此種做法是可行的。

在預(yù)加力作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的上撓度可根據(jù)給定的構(gòu)件剛度用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算。預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件隨時(shí)間的增長，由于混凝土收縮徐變將導(dǎo)致構(gòu)件負(fù)曲率增大以及混凝土彈性模量降低等原因，使得上拱度增加，所以計(jì)算構(gòu)件上拱度時(shí)必須考慮長期影響。因此，預(yù)加力引起的上撓度需乘以長期增長系數(shù)取值為2，恒載引起的下?lián)隙刃璩艘蚤L期增長系數(shù)，既可以計(jì)算出滿足基于行車舒適性的中小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)方法要求的滿足使用階段長期徐變上拱的橋梁上拱度值。

3 結(jié)語

快速交通的當(dāng)今環(huán)境背景下，舒適性作為橋梁使用性能的一個(gè)方面顯得尤為重要，隨著行車速度的不斷加快，基于舒適性的橋梁設(shè)計(jì)方法的研究愈發(fā)顯的迫切。由過度徐變上拱帶來的諸多橋梁問題，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)對滿足司乘人員對行車舒適性需求做到充分的重視和考慮，未來預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)把行車舒適性作為必須考慮的因素之一，從控制橋梁過度徐變上拱的角度尋求滿足行車舒適性的設(shè)計(jì)方法。

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[責(zé)任編輯：劉展]