基于新理念下的预应力混凝土桥梁设计方法研究

赵胜利　王　鑫

（包头市公路规划勘测设计院，内蒙古 包头 014040）

【摘　要】主要结合教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献资料，介绍了桥梁设计中，对行车舒适性影响的主要因素，针对现有的预应力混凝土桥梁的设计方法，提出了基于行车舒适性新理念下的的桥梁设计概念，在桥梁的设计中，加入舒适性指标的因素，形成行车舒适性理念下的预应力混凝土桥梁设计新方法。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 行车舒适性；预应力混凝土桥梁；设计

1　行车舒适性在桥梁设计中的影响因素分析

车汽车辆在桥梁上行驶与在道路上行驶相比，桥梁引起车辆振动的原因尚涉及桥梁结构振动，桥梁上拱和桥面铺装平整度。桥梁桥面铺装平整度对行车舒适性的影响与道路路面平整度类似，所以需要讨论总结前两者的作用。

1.1　桥梁结构的振动

在车辆动荷载作用下，桥梁结构会产生强迫振动。这种振动除会增大按静力计算的内力和可能引起结构局部疲劳损伤外，会形成影响桥上行车舒适与安全的振动变形和加速度。车辆动荷载相对于桥梁来说，属于扰动力，此扰动力的频率与桥梁的固有频率相等时，则此“汽车-桥梁”耦合系统发生共振，这时，桥梁振动的振幅将随时间逐步增长至一个相当大的数值，桥梁对桥上行车舒适性的影响也最大。分析“汽车-桥梁”耦合振动系统，要分析其共振条件。由于汽车车辆荷载是移动的，而且其本身也是一个带有质量的振动系统，使“汽车-桥梁”耦合系统的动力特性随荷载位置的移动而不断变化，其结果是共振条件只能在短时间内满足，并且车辆荷载在桥上通过的时间也是有限的。这是“汽车-桥梁”耦合振动的特点。

1.2　桥梁的上拱

桥梁过度上拱，导致桥面呈波浪形，车辆高速通过时，桥面的高低起伏给车辆的车轮施加位移动扰动，这种激励导致车轮振动，进而引起车身异常振动，严重降低了行车舒适性，使汽车司乘人员产生不安全感。

公路桥梁，尤其梁式桥汽车荷载占的比例小，结构刚度大，车辆（小型车）与桥梁的动力耦合作用不明显。但对于中小跨度梁式桥，由于其它因素，如多跨预应力混凝土梁的长期上拱形成的有规律的波形扰动对行车舒适性的影响被忽视。

对于多跨等跨的中小跨径桥梁而言，梁体上拱形成了周期性的波形线形，对高速行车造成了有规律的波形扰动，当车辆以一定的速度V（速度较快）通过该多跨桥梁时，扰动周期T=L/V，扰动频率f=1/T=V/L，当扰动频率接近或达到车辆悬挂系的固有频率时，则桥梁徐变上拱对车辆振动响应的放大作用最大，严重影响行车舒适性。

2　基于新理念下的预应力混凝土桥梁设计探讨

2.1　行车舒适性理念下的设计

据了解，目前我国公路桥梁的设计诸多原则中，并不包括使用舒适（即行车舒适）这一概念。目前的设计原则中，包含了适用耐久的这一原则，虽然包括了“桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝”的基本做法内容，但是使用中的桥梁出现的“过大的变形”的程度并未得到控制和处理，世纪钟，车辆荷载作用下的过大挠度对行车的舒适性造成了很大的影响和干扰，而这些内容，对于引起行车不舒适的过大上拱问题，设计原则中并未进行过多的说明。

桥梁作为一种特殊的产品，由于其巨额的建设成本，以及建成后所带来的巨大的经济效益，更是需要桥梁设计者的设计理念与时俱进，突出以人为本的设计理念，把使用者（即司乘人员）的需求及时不断地体现在设计中。正因如此，论文结合文献资料，基于行车舒适性的设计理念下，将使用舒适作为桥梁设计的一个原则，在设计中不仅保证安全、耐久、经济、美观，还需保证使用阶段司乘人员的行车舒适性。

2.2　行车舒适性理念下的预应力混凝土桥梁设计

相关参考资料研究，对于一定设计行车速度下，一定跨数组合的梁式桥（即多跨中小跨径预应力混凝土桥梁），梁体过度上拱是引起行车不舒适的主要原因。通过建立双自由度的1/4车辆简化模型，模拟过桥车辆，可建立行车舒适程度与上拱度值之间的直接的数学关系式，从而可以用上拱度值这一设计指标，直观的反应行车舒适性。

行车舒适性属于使用性能，在梁式桥的设计中属正常使用极限状态的设计范畴。目前我国公路桥规规定，在桥涵结构设计的持久状况中，正常使用极限状态设计涉及构件的抗裂、裂缝宽度和挠度三个方面的验算，而对直观反映行车舒适性的桥梁上拱度值，则未提及。而事实上，由于司乘人员对桥梁行车舒适性方面的需求越来越强烈，行车舒适性应该成为桥梁设计所必须考虑的因素指标之一。

高速公路中小跨径预应力混凝土桥梁的设计必须考虑行车舒适性的需求，体现行车舒适性的设计理念，行车舒适性指标通过桥梁梁体上拱度值反映出来。基于行车舒适性理念下的中小跨径预应力混凝土桥梁的基本设计方法为：

在进行持久状况的正常使用极限状态设计时，除涉及原有的构件抗裂、裂缝宽度和挠度三方面的验算外，还需要加上构件上拱度的验算，上拱度值不应超过最大允许上拱度值[d]（即不影响行车舒适性的最大上拱度值）。《公路工程技术标准》规定，高速公路设计行车速度有80、100、120km/h三种标准，因此具体设计时，应针对桥梁的设计行车速度选用与之相对应的最大允许上拱度值[d]进行计算处理。

桥梁上拱度是由偏心预加力Np引起的上挠度和恒载所产生的下挠度两部分组成。与桥梁挠度计算相比，上拱度计算不计活荷载作用。有研究资料表明，由于车辆高速行驶（时速80km/h及以上）时，车间距较大（交通法规规定：高速公路行车的安全距离（车间距），正常情况下，行驶时速100km/h时，为100m以上；时速70km/h时，为70m），对于中小跨径桥梁而言，同时通过某一跨桥梁的车辆数量很少，即同时作用在某一跨桥梁上的活荷载很小，因而此时活荷载对桥梁产生的下挠度也很小，基本可以忽略。故计算桥梁上拱度时，只考虑预加力和恒载的作用，而忽略活荷载的作用，此种做法是可行的。

在预加力作用下，预应力混凝土受弯构件的上挠度可根据给定的构件刚度用结构力学的方法计算。预应力混凝土受弯构件随时间的增长，由于混凝土收缩徐变将导致构件负曲率增大以及混凝土弹性模量降低等原因，使得上拱度增加，所以计算构件上拱度时必须考虑长期影响。因此，预加力引起的上挠度需乘以长期增长系数取值为2，恒载引起的下挠度需乘以长期增长系数，既可以计算出满足基于行车舒适性的中小跨径预应力混凝土桥梁设计方法要求的满足使用阶段长期徐变上拱的桥梁上拱度值。

3　结语

快速交通的当今环境背景下，舒适性作为桥梁使用性能的一个方面显得尤为重要，随着行车速度的不断加快，基于舒适性的桥梁设计方法的研究愈发显的迫切。由过度徐变上拱带来的诸多桥梁问题，需要设计人员在设计时对满足司乘人员对行车舒适性需求做到充分的重视和考虑，未来预应力混凝土桥梁的设计中，应当把行车舒适性作为必须考虑的因素之一，从控制桥梁过度徐变上拱的角度寻求满足行车舒适性的设计方法。

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参考文献

［1］王英杰.考虑车体柔性的车-轿动力响应分析及行车舒适性影响因素研究[D].北京交通大学，2011.

［2］李黎，叶志雄，王欣，胡亮.移动荷载作用下特大悬索桥的行车舒适性[J].公路交通科技，2007，9.

［3］陈阶亮，裘新谷.人行桥振动舒适性评价方法及标准研究现状[J].桥梁建设，2010，1.

［责任编辑：刘展］