車輛荷載作用下路橋段結構的動態響應分析

姜小磊，林 俊

(1.江西交通職業技術學院;2.江西省公路管理局)

1 探討車輛荷載作用下的路面結構動態響應情況

1.1 比例邊界有限元法的理論分析及其應用實例

多層單形體模型是使用比例邊界有限元法分析車輛荷載作用下的路面結構動態響應的主要基本模型之一，本文在此也主要以此模型為基礎來進一步探討。此外，彈性地基薄板模型和等效模型也是在分析此類問題時經常用到的模型。

等效替代和動力剛度關系是比例邊界有限元法的基本思想，其方法的過程大致是，將原來的無限地基層用一個新的無限地基層和一個有限結構單元等效替代，由于等效替代的效果，從動力剛度關系可知，原來的無限地基的剛度等于替代后的兩部分的剛度之和。此外，原無限地基和新無限地基理論上是相似的，并由此得出相關關系式，最后求解。

此外，在實際過程中，地面結構不一定是線性的、均勻的，因此，在實際的分析過程中還應將基本思想的方法進行進一步的修正。

比例邊界有限元方法求解的方程式是:

方程式中M 表示路面結構的質量;K 表示路面材料靜力和阻尼剛度矩陣。

1.2 三維有限元法在車輛荷載作用下的路面結構動態響應分析中的應用

(1)三維有限元法的理論基礎和適用條件

三維有限元法的主要步驟是邊界的選定、模型尺寸及單位結構，再利用Hamilton 方程進行求解。首先，在邊界的選定中，假設路面在車在作用下的彈性形變為零，選定的單元在地基的三維方向均受到約束力。另外，由于邊界調節會對實際過程產生一定的干擾，因此，在選擇車輛載點和終點時因距離所選邊界有一定的距離。

在確定好邊界，模型尺寸以及單元結構后，還要對輪載進行分析。在整個車載運行過程中，車的輪胎始終與地面接觸，因此，可是選擇輪胎與路面的接觸面來計算輪載，車胎與地面的接觸面近似為兩個矩形，先計算出車胎與路面的接觸面積為S，根據車的實際重量(車重與貨重之和)計算出輪胎與地面接觸面所受的壓強。

(2)對三種不同的路面用三維有限元法進行動態響應分析

三種不同路面結構各層的構造材料的參數如表1～表3所示。

表1 方案一

表2 方案二

三種方案的研究結果都是在車載重為450kN，車速為100km/h 的條件下進行的，由表可知，方案一和方案二路面結構的區別主要是在基層，方案一的基層材料為碎石韌性固結層，方案二的基層材料為彈韌性混凝土層。方案二和方案三路面結構的主要區別在于底基層，方案二的底基層材料為路基土韌性固結層，方案三的底基層材料為水泥穩定碎石層。最大剪應力的在地面各層之間呈正負交替變化，且最大剪應力隨路面深度的加深而不斷減小，由此可知，建筑單位在鋪設路面時要選擇抗拉、抗壓能力較好的材料，防止地底壓力過大而破損。

表3 方案三

三種路面結構在車輛荷載作用下的壓應力和拉應力的變化

(1)三種不同材料構成的路面結構其壓應力隨深度變化的趨勢基本一致，但在拉應力方面有很大差別，說明三種材料只改變了路面結構的拉應力效應，對壓應力效應基本沒有影響。

(2)最大壓應力隨深度變化過程中，三種方案基本上都是先增加較迅速，再增長較緩。

2 對車輛荷載作用下的橋梁結構的動態響應進行分析

2.1 車輛荷載作用下的橋梁結構動態響應分析的理論基礎和基本思想

車橋系統耦合振動理論是研究橋梁在移動荷載作用下振動或受力情況的重要理論依據，就目前而言，各國研究最多的是橋梁受到的勻速常量力作用和勻速移動簡諧力作用，前者是假定車輛荷載在橋梁上移動時是勻速直線移動的，后者是假定車輛荷載在橋梁上是做勻速簡諧運動。

(1)分析過程中假定車輛荷載時在橋梁做的是勻速直線運動，則其過程的計算方程為:

在上述方程式中，EI 表示橋梁的抗彎曲，通常設為常數;m 表示梁單位長度的質量。此外，梁的強迫振動方程為:

那么，橋梁在車輛荷載作用下實際的總方程為:

這個方程的使用范圍是忽略了車輛本身的重量，計算比較簡便。

(2)假定車輛荷載時在橋梁上做的是勻速簡諧運動，則其過程的方程為:

這種情況實際上是將勻速移動作用下的方程進行修正，將車身的質量考慮在內，這種情況相比上種情況要顯得更科學合理，更在符合實際情況。

2.2 對車輛載荷下的橋梁結構動態響應進行模擬分析

首先，建立可分析和計算的模型，通常把橋梁用簡支梁代替進行受力分析，再假定各常數和基本量的數值;其次，將假定的常數和基本量帶入方程中求出各參數的值;最后，根基檢測的數據對實驗結果進行全面分析。

3 分析車輛荷載在連續配筋混凝土路面結構的動態響應過程

3.1 建立基本模型

分析車輛荷載作用下的連續配筋混凝土路面結構的動態響應分析，首先要根據實際情況建立合理的簡便的科學的模型。(1)對輪胎和路面的接觸面進行分析，假設輪胎與路面的接觸面為長方形，算出輪胎與地面的接觸總面積(即為長方形面積的4 倍);(2)建立三維有限元基本模型，三維有限元模型是分析和計算路面結構動態響應的基本模型，連續配筋混凝土路面的就夠包括連續混凝土路面、基層、路基和地基四個部分，選取規則的部分單元作為用于三維有限元分析方法的結構。(3)根據模型用ABAQUS 軟件模擬車輛荷載在連續配筋混凝土路面結構中的動態響應分析，首先，勾去有限元結構，其次，給有限元結構計算出來的壓力，并保證車輛在路面上是勻速行駛的，此外，要注意配筋率和混凝土中各鋼筋之間的距離，做到準確一致，保證結果分析的準確性。用ABAQUS 軟件分析時忽略了實際過程中混凝土因損壞或溫度造成的縫隙，將整個有限元堪稱連續的結構單位。

另外，也可以在計算和分析路面結構時利用微元法的思想。將三維有限單元不斷地劃分為面積或體積相等的部分，選取其中的幾個或一個微小單元進行分析，利用軟件獲得的數據更精確，較少實驗誤差。

3.2 分析各種材料的基本參數

為了使實驗分析更加全面和科學，還需要對建造連續配筋混凝土面結構的各材料參數進行分析，根據實際檢測的結構，對各材料的性能進行正確全面的評價。設計這一類實驗一般采用設計正交試驗，既可以減少試驗次數，又不妨礙實驗結果的準確性。實驗主要測定的材料的彈性模量、剪切模量、密度、泊松比和阻尼系數等，通過實驗數據，測得各材料能承受的最大剪應力，及其隨深度的變化規律。

3.3 校正并探討實驗結果

比如，對車輛荷載作用下的連續配筋混凝土路面結構動態響應進行分析時，可是看出，車輛荷載、車輛行駛速度、配筋率、混凝土層厚度、使用材料和鋼筋在混凝土中的構造都對其動態響應有很大的影響。理論上來說，車輛的荷載與其對地面的壓力成正比關系，荷載越重，路面結構受到的豎向剪應力越大;增大車速可以減少整個動態響應過程的時間，但其對路面的沖擊力會相應增大;此外，增大混凝土層的厚度和采用性能較好的材料也能增大路面的抗壓抗拉能力。

［1］徐醫培，李素有，吳立言.結構動態響應的求解方法分析［J］.機械設計與制造，2009，(6):12－14.

［2］陶向華，黃曉明，劉萌成.車輛荷載作用下路橋段結構的動態響應分析［J］.公路交通科技，2005，(9):7－11.