重車作用下大跨度連續剛構橋動力響應分析

劉勇， 殷新鋒

(1.湖北嘉魚長江公路大橋有限公司， 湖北 武漢 430050；2.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114)

近年來，重型車輛不斷增多，加劇了橋梁的損傷。中國多數橋梁設計中未充分考慮移動車輛的動力效應，致使大部分橋梁處于超載運營狀態。目前計算能力的加強，使研究人員能采用更真實的橋梁和車輛模型分析橋梁和移動車輛的動態特性。該文以某大跨度連續剛構橋為工程背景，建立簡化的三軸重載貨車模型和橋梁三維有限元模型，通過顯示求解程序LS-DYNA內置的接觸算法進行車-橋耦合振動仿真分析。

1 車橋耦合有限元模型

1.1 車輛模型

汽車參照對象為中國重型汽車集團有限公司生產的豪沃三軸載重自卸貨車，其外形見圖 1。結合全車整備質量及荷載試驗時的加載重量，軸載取為35 t，其中前軸重7 t，中軸和后軸各重14 t。

圖1 豪沃三軸載重自卸貨車

使用殼單元、梁單元、實體單元及離散單元構建車輛模型，車身、車梁、輪盤的一部分使用實體單元，懸架部分使用梁單元、離散單元(包括阻尼單元和彈簧單元)，車頭、輪胎、輪轂、輪盤的另一部分使用殼單元。圖 2為車輛三維有限元模型。

圖2 車輛三維有限元模型

輪胎、輪盤和輪轂組成車輪，其中輪胎使用橡膠材料，輪轂和輪盤采用線彈性鋼材。使用AIRBAG關鍵字定義由輪胎、輪轂組成的封閉體，其中氣壓為0.6 MPa。

1.2 橋梁模型

某橋跨徑為2×30 m+65 m+120 m+65 m+30 m=340 m，主跨為預應力砼變截面連續剛構。主墩采用雙薄壁橋墩+鉆孔灌注樁基礎，主橋箱梁采用C55砼，主墩墩身采用C40砼。采用六節點或八節點的全積分實體單元模擬橋梁各部分，包括2個橋墩、主橋箱梁等。橋梁三維有限元模型見圖3。

圖3 橋梁三維有限元模型

2 靜載試驗結果分析

對該橋進行荷載試驗，部分荷載布置見圖4。基于荷載實測結果，得出靜載作用下結構主跨跨中彈性變位曲線(見圖5～7)。

圖4 試驗荷載平面布置示例(單位：m)

圖5 第二跨1#邊梁對稱加載荷載-彈性變位曲線

圖6 第二跨中梁對稱加載荷載-彈性變位曲線

圖7 第二跨2#邊梁對稱加載荷載-彈性變位曲線

由圖5～7可知：實測撓度小于理論計算撓度，結構剛度滿足設計及規范要求。

3 橋梁動力響應

設置7種車輛荷載工況，對主橋箱梁在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處(即邊跨跨中、3#墩頂、中跨跨中，見圖8)的撓度與應力進行對比，分析橋梁的動態特征。

圖8 動載分析截面示意圖(單位：m)

7種動載工況如下：工況1為 1輛35 t重車行駛在橋梁縱向中軸線上；工況2為2輛35 t重車并排對稱行駛在橋梁縱向中軸線兩側；工況3為3輛35 t重車呈品字形以橋梁縱向中軸線對稱放置；工況4為4輛35 t重車以橋梁縱向中軸線對稱放置；工況5為5輛35 t重車呈工字形以橋梁縱向中軸線對稱放置；工況6為6輛35 t重車以橋梁縱向中軸線對稱放置；工況7為6輛35 t重車、8輛1.5 t小汽車對稱行駛在橋梁縱向中軸線兩側。各工況下車間沿橋梁橫向、縱向間距分別為1.3、4 m，車輛均以30 m/s的速度從橋外駛入并通過橋梁。

各工況下邊跨跨中撓度見圖9，3#墩墩頂撓度見圖 10，中跨跨中撓度見圖 11。

圖10 各工況下3#墩墩頂撓度時程曲線

圖11 各工況下中跨跨中撓度時程曲線

各工況下邊跨跨中主拉應力見圖 12，3#墩墩頂主拉應力見圖 13，中跨跨中主拉應力見圖 14。

圖12 各工況下邊跨跨中主拉應力時程曲線

圖13 各工況下3#墩墩頂主拉應力時程曲線

圖14 各工況下中跨跨中主拉應力時程曲線

從圖9～14可看出：1) 從工況1的1輛重車到工況6的6輛重車，隨著車輛數的增加，峰值正豎向位移和峰值負豎向位移都增大，但并非線性增長；豎向應力或位移波動幅度也增大。2) 應力或位移的波峰隨著車輛數的增加而逐漸右移并呈現滯后性，其與車輛布置特別是車輛沿橋梁縱向的間隔相關。隨著車輛數的增加，整個車隊的軸載重心沿橋梁縱向逐步后移，當軸載重心經過相應截面時，才會出現峰值位移，故峰值位移的波峰逐漸呈現滯后性。3) 工況7與工況6的重車數目相同，工況7多了8輛小汽車，然而工況7的峰值位移還小于工況6，且其撓度時程曲線的波峰形狀寬而扁平，不像工況6的波峰形狀窄而尖銳。小汽車軸載只有1.5 t，重車軸載達35 t，由于工況7重車之間穿插有小汽車，重車沿橋梁縱向的間隔較大，故其波峰形狀寬而扁平，應力或位移也較小。說明重車扎堆行駛會引起較大的動力響應，可能引起橋梁結構損傷。而重車間隔較大，之間相隔有其他較輕車輛時，引起的動力響應較小而緩和，有利于行車舒適性和橋梁健康。

圖9 各工況下邊跨跨中撓度時程曲線

4 結論

(1) 車輛質量越大(小汽車相較重車引起的動力響應小得多)，車輛數量越多，橋梁跨中截面的動力響應增大。

(2) 隨著車輛數量的增多，峰值位移或應力的波峰逐漸右移，并呈現滯后性。

(3) 隨著車輛間距的增大，車輛對橋梁的動力響應減小。