车辆的动力作用

RalphWoo车辆的动力作用众所周知，一辆以正常速度运行过桥的车辆，其产生的应力大于以静止状态停留在该桥上而产生的应力。这种应力增量，可称为动力作用。桥梁设计者以及在桥梁设计规范中，对这种动力作用的术语称为冲击。但是，冲击一词从科学上讲，并不确切，因为冲击表示一个物体碰撞另一个物体，这种现象只有当一个车轮陷落到坑洞中时才会发生。总的动力作用不仅只是车轮撞击桥面凹凸不平部位时，而且当活载以极短的时间作用到结构上时也会发生。根据动力学原理简单计算，可以证明荷载瞬间作用到一根梁上产生的应力大小，等于相同荷载以静止状态作用到梁上产生应力的两倍。实际荷载对公路桥作用时，总活载绝不是瞬间的，而是以一定的时间作用到结构上。突然加载引起的动力作用对一座桥梁的各个构件影响是不同的。除真正的冲击和突然加载作用之外，第三种作用则是由于车辆在其弹簧板上的振动引起的。路面不平会造成这种作用。车辆的振动引起结构内的振动。应力的大小取决于车辆和桥梁的相对质量的大小、结构的固有频率和桥梁的减振特性。试图对于通过一座特定桥梁的特定车辆的动力作用进行分析研究，将是极其复杂的工作，因为只能近似的定量评价。由于难以作出可靠分析，所以，目前的方法是对动力作用指定一个大致的量，这个量由AASHTO(美国现代混凝土公路桥设计规范)为确定“冲击系数”给出的一个简单公式，确定为：Ｉ＝５０／（１２５＋Ｌ）计算由冲击引起的应力方法，是将活载应力乘以由以上公式算出的Ｉ值。然后再将乘积直接加到活载应力上，从而得到车辆荷载产生的总应力。Ｌ表示结构的加载长度。具体的说，如果荷载是由均布荷载组成，则Ｌ就是能够产生最大应力的结构加载长度。冲击系数的最大值，ＡＡＳＨＴＯ建议为０.３。这相当于１２.５ｍ的简支跨，对所有较此短的跨径，冲击系数均采用０.３。大部分桥梁设计者倾向于采用比此公式更加科学的方法，但目前对这个问题的研究很有限，在未做出进一步研究之前，以上公式应该满足要求了。除特殊情况，上式算出的值是保守的。对于大跨径桥梁来说，动力作用引起的应力百分比是比较小的。船舶撞击桥墩的碰撞理论船舶碰撞桥墩时的撞击分析要涉及到许多因素，诸如船舶类型、航行速度、碰撞概率、撞击角度、航道水深、流速及潮汐变化、桥墩及其基础的稳定性等等。大量的碰撞实例调查和模型试验表明，问题的焦点集中在船舶的撞击动能、船舶对桥墩或防护系统的撞击力、船舶与桥墩或防护系统的形变势能即吸收能量的能力等几个方面。关于对船舶撞击桥墩的实验及碰撞理论，有美国米诺斯基（V.U.Minorsky）教授的著名的米诺斯基公式；有在米诺斯基碰撞理论基础上由联邦德国学者沃辛（Ｇ.Ｗｏｓｉｎ）提出的沃辛碰撞理论：利用物理学一般原理，视船舶与桥墩的碰撞力为两物体间的自由碰撞，估计出弹性碰撞的能量部分，这时还需考虑船体周围的流体对船舶质量的影响。在不知道撞击力的大小时，可以利用能量守恒原理和冲量原理计算出船舶对桥墩的撞击动能。这里主要讨论一下由汉斯德鲁彻提出的，研究公路桥梁预防船舶的撞击，并向美国公路桥规制定相应条文提出权威的建议。能量交换原理：汉斯和德鲁彻教授指出，能量的交换转移过程刚一建立，即刚开始碰撞RalphWoo接触的瞬间，就可以假设桥墩或桩群支承在若干弹簧上，并保持其平衡状态。在模拟成上述数学模型的碰撞系统中，设弹簧的弹性常数Ｋ与碰撞时被撞结构的反应状况等价，且用弹簧的质量代表船舶的质量。研究这样的弹簧质量系统后，得如下使用于一般情况的方程：Ｙmax＝Ｖo／λａmax＝Ｖo*λＰmax＝Ｋ*Ｙmaxｔmax＝π／（2λ）式中符号定义如下：Ｙmax——桥墩或防护系统受撞击位置处的最大位移Ｖo——船舶的撞击初速度λ——弹簧系数Ｋ与弹簧质量Ｍ之比，λ＝√K/MＫ——弹簧的弹性系数(与被撞结构的反应状况等价)Ｍ——弹簧的质量（与船舶质量等价）ａmax——船舶的最大加速度Ｐmax——船舶的最大撞击力ｔmax——撞击过程的持续时间弹簧的弹性系数等于单位荷载作用下被撞结构的变形，按下式计算：Ｋ＝１/△p△p＝L3*（D.F）/３ＥＩp式中，△p——被撞结构的挠曲变形Ｅ——被撞结构的弹性模量Ｉp——被撞结构的惯性矩Ｌ——被撞结构的悬臂长度（从埋置线深度开始计算）Ｄ.Ｆ——荷载分布系数弹簧的质量Ｍ按下式计算：Ｍ＝２Ｗ/ｇ式中，Ｗ——船舶的重量ｇ——重力加速度以下为一应用实例：一大型的独立护墩桩由３４根单桩组成，顶部设一大型刚性桩帽，将３４根桩组合成群桩的结构形式。要求刚性桩帽和桩群必须能够吸收Ｗ＝２５００００吨的船舶以速度Ｖo＝０.３海里/小时撞击时的动能。护墩桩群上安置缓冲设施，这种缓冲设施的刚度系数K曲线定义为Kf=0.028△2–2.7△+87.9(千磅/英寸)计算出护墩桩的单位位移量，并考虑土壤的相互作用，有Kf=2300千磅/英寸（４.０３*１０5kN/m）由于该两系统相互作用密切，等效弹簧的弹性系数Ｋe＝ＫdＫf/（Ｋd＋Ｋf）于是，弹性常数为Ｋe＝86.6千磅/英寸（１.５*１０4kN/m）RalphWoo将船舶的反应作为弹簧质量考虑，即Ｍ＝２５００００*２/（３２.２*１２）＝１４５０.５千秒2/英寸Ｖo＝０.３*１.６８９*１２＝６.０８英寸/秒代入λ表达式得λ＝０.２４因此，对于前述撞击条件，护墩桩的最大挠度为Ｙmax＝Ｖo／λ＝２５.３３英寸（０.６４m）最大撞击力为Ｐmax＝Ｋ*Ｙmax＝２１９１千磅（９７４６kN）船舶制动加速度为ａ＝Ｖo*λ＝１.４５英寸/秒2从碰撞开始至船舶停止前进的时间为ｔ＝π／（2λ）＝６.５４秒求出以上数据后，即可求出各根桩的截面应力。首先，将最大撞击力Ｐmax用桩根数去除，得单桩承受的撞击力为Ｐ＝２１９１/３４＝６４.４千磅桩长７０英尺，则埋置线处的截面弯矩为（作为悬臂构件计算）Ｍ＝ＰＬ＝６４.４*７０＝４５０８千磅*英尺截面模量Ｓ＝１１４９英寸2桩截面的最大应力为σ＝Ｍ/Ｓ＝４７千磅/英寸2＝３２.４kN/cm2