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user: 3. 大位移模数式伸缩缝冲击振动研究现状 3.1. 国内外研究现状 目前，国内对伸缩缝的研究并不完善，尤其是大位移模数式伸缩缝装置。国内比较先进的模数式伸缩缝结构是参照德国的毛勒，日本的好耐尔，法国的费莱辛涅的结构形式，根据我国的特点自行研制的一种伸缩缝结构 [ 9 ] [ 10 ] 。但是由于超载和超负荷等问题的存在，致使伸缩缝使用寿命降低，强度、刚度和位移量不能满足要求。 比如，山东公路机械厂引进美国布朗公司先进技术生产的桥梁伸缩缝——布朗缝，将以往大位移伸缩缝中梁与支承梁的联结形式由刚性改为柔性，大大提高了大位移模数式伸缩缝的使用寿命和安全系数 [ 11 ] ；而布朗缝独有的支承系统决定了中梁和横梁可以在桥梁横向和垂向发生较大的位移，更加适用于地震多发地带的桥梁和横向位移较大的特殊桥梁 [ 12 ] 。 国外对大位移模数式伸缩缝装置的研究比较全面，其中以美国沃特森、瑞士马格巴、英国霍内尔和德国毛勒伸缩装置为主。德国的毛勒公司长期与权威科研机构紧密合作，对大位移模数式伸缩缝进行深入的研究，生产出著名的模数式伸缩缝——毛勒缝。通过对毛勒缝的分析研究，发现当汽车通过伸缩缝时，轮胎对毛勒缝中梁有横向和纵向荷载，而这些荷载通过支撑单元和弹性控制元件传递到边梁上。边梁则是结构上锚固的，所以车荷载也就由锚固平板传递到相邻的实体建筑上了 [ 13 ] 。 通过上述的分析发现，国内关于复杂物理环境下模数式伸缩缝装置的研究还比较匮乏，而国外有关模数式伸缩缝的研究起步较早但并没有有效的运用有限元软件进行伸缩缝强度和刚度的分析，因此有必要对模数式伸缩缝进行更深入的研究。 3.2. 大位移模数式伸缩缝动力学分析 3.2.1. 竖直方向动力学响应分析 当车辆通过伸缩缝时，伸缩缝在竖向具有振动特性。范立础通过对大位移模数式伸缩缝研究，得到布朗缝独有的支承系统决定了中梁和横梁可以在桥梁竖向发生较大的位移，更加适用于地震多发地带的桥梁和横向位移较大的特殊桥梁。严情木 [ 14 ] 通过对伸缩缝在竖向荷载作用下动力学响应的研究，详细阐述了伸缩缝动力学方程的建立过程和求解过程，即通过将模型进行简化，以线性化理论为基础，将理论振动方程组转化成线性状态空间的形式，从而完成对振动方程组的求解。孙正峰 [ 15 ] 通过对大位移桥梁伸缩缝进行竖向动力学仿真研究，分析了车辆的荷载形式及竖向频率、弹性支承刚度随车辆激励力频率的变化以及车速、弹性支承刚度、阻尼和缝宽的变化对冲击系数的影响发现：当车速低于100 Km/h时，弹性支承刚度取值应大于60，000 N/mm；冲击系数随弹簧支承刚度、缝宽和阻尼的增大而减小，当车速低于100 Km/h时，冲击系数随车速的增大而增大。衡亚霖，王少华等 [ 16 ] 运用解析理论和数值分析方法对大位移桥梁伸缩缝进行竖向振动研究，得到车速与伸缩缝结构参数的变化对冲击系数与最大竖向位移的影响情况：随着缝宽的增大，冲击系数和中梁最大竖向位移的波峰沿车速轴右移；为减小最大竖向位移可限制车速，减小缝宽，增大刚度，增大中梁截面惯性矩。邓伟 [ 17 ] 通过对伸缩缝动力学特性研究发现：伸缩缝最大竖向位移响应随着刚度的增加而减小，随着轮压、缝宽的增大而增大；当车速大于60 Km/h时，伸缩缝的竖向位移随着速度的增大而增大；当车速小与60 Km/h时，伸缩缝竖向位移较小且与速度关系不易归纳。瑞典学者Reoberto Crocetti和Bo Edlund [ 18 ] 在2003年分析了车辆通过大位移模数式伸缩缝时的荷载形式，并对垂向荷载进行了研究。他们将车辆通过伸缩缝时作用在每根梁上的荷载用正弦函数的形式进行加载，并将伸缩缝系统简化为弹簧-阻尼系统，研究了车辆单轴通过伸缩缝时的动态位移放大系数。 3.2.2. 水平方向动力学响应分析 伸缩缝在正常工作时所受到的水平荷载主要有：车辆过缝时对中梁的水平作用力；由中梁高差产生的水平冲击作用力；中梁与横梁之间相对位移产生的摩擦力等。严情木利用有限元模拟仿真的方法，研究了伸缩缝中梁的水平振动特性发现：剪切弹簧刚度的取值会影响振动的最大幅值；剪切弹簧的阻尼是影响衰减的主要因素，在此参数下，水平方向的振动衰减效果较好。瑞典学者Reoberto Crocetti和Bo Edlund在2003年分析了车辆通过模数式伸缩缝时的荷载形式，分为纵向荷载、水平荷载，并指出水平荷载由制动、加速、路面坡度、滚动摩擦等造成，通过现场试验数据发现，横向荷载具有随机性的特点。孙正峰等 [ 19 ] [ 20 ] 通过对桥梁伸缩缝进行水平向动力学仿真分析发现：车速低于60 Km/h时，车轮对中梁水平冲击力很小，车速高于100 Km/h时，应考虑车轮对中梁的水平冲击；中梁最大水平位移随中梁弹性支承刚度及预压量、滑动摩擦系数、剪切弹簧刚度的增加而减小，从而为确定伸缩缝安装时预应力大小提供依据。吴昊 [ 21 ] 运用理论分析方法建立了伸缩缝水平振动方程，并运用MATLAB软件进行数值求解得到：预压量及滑动摩擦系数的变化对中梁最大水平位移的影响最为显著，剪切弹簧刚度次之，弹性支承刚度最小；考虑实际使用过程的方便性，伸缩缝预压量ΔX为4 mm，支撑刚度不低于60，000 N/mm。 3.2.3. 耦合动力学响应分析 在实际情况下，伸缩缝会同时受到水平荷载和垂向荷载的作用，这就需要研究伸缩缝在两个方向荷载作用下的整体振动特性。孙正峰考虑在竖向和水平荷载共同作用下，对伸缩缝进行了动力学仿真分析发现，中梁竖向振动位移与水平振动位移之间的相互影响很小，故可对伸缩缝竖向或水平向振动响应单独进行研究，以便节省时间，提高效率。吴昊利用ABAQUS有限元软件建立了ZL480伸缩缝有限元模型，研究了伸缩缝在受水平与垂向荷载共同作用时的振动特性、最大反跳位移、冲击系数以及衰减等问题发现：伸缩缝在垂向上的振动要比水平方向的剧烈，这主要是因为伸缩缝所承受的垂向荷载要比水平方向上的荷载大；剪切弹簧刚度对伸缩缝水平方向上的振动影响较大，对垂向振动影响较小；而弹性支承刚度对伸缩缝水平方向上的振动影响较小，对垂向振动影响较大。吴延平等 [ 22 ] 对车辆通过伸缩缝处的耦合振动分析发现：当车速增加到一定程度时，其对经过伸缩缝时的冲击影响是有限的，而主要表现影响整个车桥的耦合振动过程，当车速由10 Km/h增加到40 Km/h时，冲击加速度峰值由0.47 m/s 2 增加到0.84 m/s 2 。谢旭 [ 23 ] 等采用车桥耦合振动算法对伸缩缝跳车响应进行了数值模拟并通过实测进行对比分析发现，由于车辆经过伸缩缝时产生较大的冲击效应，对于一些桥梁特别是钢桥，有必要进行相应的减振设计。荷兰学者B. Zuada Coelho， A.H.J.M. Vervuurt，W.H.A. Peelen [ 24 ] 通过对Martinus Nijhoff大桥模数式伸缩缝动力学性能的研究发现，中梁与横梁的响应取决于支撑装置的有效性，当横梁的滑动支撑去掉时，中梁的动态响应发生改变，并对中梁的线应变以及固有频率产生影响。 3.3. 伸缩缝的减振和降低噪声 车辆通过桥梁时引起的结构振动主要分为两类：车辆通过伸缩缝时的冲击振动和一般路面条件下车辆荷载作用下的桥梁振动。车辆通过伸缩缝时，所产生的冲击作用振动幅度大频率高，但维持时间短，而在一般路面下车辆动荷载作用相对稳定，其引起的振动频率低幅值相对较小但持续时间长。桥梁伸缩缝结构的振动特性将直接影响桥梁结构的安全度和行车的舒适度，所以针对车辆通过伸缩缝时的减振和降低噪声的研究是我们的重点。 吴昊通过对模数式伸缩缝进行抗震性分析发现，改变伸缩缝的剪切弹簧刚度及弹性支承刚度等参数对整个伸缩缝在地震作用下的振动影响很小，这主要是因为伸缩缝垂向、横向顺桥向刚度相对于桥梁来说很小，桥梁运动决定了伸缩缝的位移，伸缩缝的响应主要受桥梁振动的控制。吴延平、谢旭等采用小波变换法研究了车辆通过伸缩缝时的时频域振动特性，并分析了在该类振动下桥梁的减振效果。吴冬雁 [ 25 ] 通过对车辆通过伸缩缝时的冲击荷载及桥梁结构振动特性的研究，提出在一般路面条件下，加大结构本身的刚度对减振效果不明显，而提高路面平顺度对这类结构减振效果显著，当考虑伸缩缝冲击效应时，在主桥梁端处填筑一定长度的混凝土能一定程度上减小车辆通过伸缩缝时的冲击效应。李爱群 [ 26 ] 通过对大位移模数式伸缩缝研究得到当车轮压过80 min的缝隙上时，并没有明显振动增加，但是为了保证通行的安全舒适，需要保证伸缩缝表面与路面齐平。Ravshanovich [ 27 ] 在2007年指出，噪声是由于相邻的两个中梁和车轮之间形成了一个空间，车辆通过伸缩缝时空气在这个空间回荡，产生噪声。2006年Ancich [ 28 ] 以模数式伸缩缝为对象，研究了伸缩缝的噪声传播问题以及伸缩缝冲击振动特性。Crocetti等 [ 29 ] 在2003年对模数式伸缩缝在车辆冲击荷载作用下的疲劳问题进行了研究。Aso [ 30 ] 等在2000年对车辆通过伸缩缝装置时桥梁结构辐射的噪音声压进行了实测分析，记录了伸缩缝位置在车辆冲击振动下的实测资料，但是数据分析采用稳态响应振动理论，并没有从响应中分离出噪声的发生源。2004年Steenbergen [ 31 ] 研究了薄型伸缩缝在车辆荷载作用下的振动特性及伸缩缝的动力放大系数。王善林 [ 32 ] 通过对大位移模数式伸缩缝研究得到，对位移量和转角要求较大的伸缩装置，应考虑采用降噪伸缩装置，该类伸缩装置结构复杂、造价高，但能适应的位移量和转角大，性能可靠，是大型城市桥梁伸缩装置的较好选择。 3.4. 伸缩缝的抗震分析 我国是世界上地震灾害最多的国家之一，并且地震是造成人员伤亡最多的自然灾害，具有直接灾害强、二次伤害频繁等特点。对于大跨度桥梁结构来说，在地震力的作用下，伸缩缝装置的振动容易导致主梁梁端混凝土的破碎和伸缩缝装置的破坏，因而伸缩缝装置抗震特性的研究具有重要意义。 吴昊通过对模数式伸缩缝进行抗震性分析发现，改变伸缩缝的剪切弹簧刚度及弹性支承刚度等参数对整个伸缩缝在地震作用下的振动影响很小，这主要是因为伸缩缝垂向、横向顺桥向刚度相对于桥梁来说很小，桥梁运动决定了伸缩缝的位移，伸缩缝的响应主要受桥梁振动的控制。邓育林 [ 33 ] 等通过对强震作用下大跨斜拉桥梁伸缩缝处碰撞效应的研究发现：由于大跨桥梁主、引桥结构体系不同，结构动力学特性相差很大，在强震作用下伸缩缝处主、引桥相邻梁体易发生碰撞。Reginald Des Roches [ 34 ] 对纵向地震作用下桥梁伸缩缝处双边碰撞效应的研究发现，双边碰撞减小较柔框架的位移，增大较刚框架的位移。王军文 [ 35 ] 等对非规则梁桥在地震作用下伸缩缝处的碰撞现象的研究发现，为保证桥梁刚度和质量的平衡，应优先考虑采用等跨径等墩高的结构形式，尽可能地满足相邻两联的周期比大于 0.7，从而有效地减小伸缩缝处梁体的相对位移，减小落梁及相邻梁体碰撞的可能。