許漢錚， 潘 宏， 商朋朋， 李曉濤， 陳武浩， 胡 眺

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710054；2.浙江省紹興市公路管理局，紹興 312000)

當(dāng)車輛行駛在橋梁上，曲線橋會產(chǎn)生一定的動力響應(yīng)[1]，分析汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)必須考慮車橋耦合作用[2]，而現(xiàn)有的研究成果很少考慮橫向車橋耦合作用。但如果不考慮橫向耦合振動或者對橫向耦合振動考慮欠佳，都會對真實(shí)的車橋耦合振動分析產(chǎn)生一定的偏差，通過對混凝土連續(xù)曲線橋在有無橫豎向車橋耦合作用下的動力響應(yīng)對比分析，更加清晰認(rèn)識混凝土連續(xù)曲線橋的動力響應(yīng)，為保證橋梁運(yùn)營期間的安全、延長使用壽命、減少經(jīng)濟(jì)損失等方面具有重要意義。

目前，中外學(xué)者在車橋耦合方面的研究較多：李清海等[3]通過考慮多軸及多個車輛的作用于多種支承條件下的橋梁，采用三次插值函數(shù)建立橋梁相關(guān)運(yùn)動方程，并引入超單元法建立了車輛荷載運(yùn)動方程，分析橋梁結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)；周樂[4]通過建立分離的7個自由度兩軸整車模型和連續(xù)曲線梁模型振動方程，運(yùn)用接觸處的位移協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)耦合系統(tǒng)運(yùn)動方程，并以實(shí)際曲線梁橋?yàn)楸尘埃治鰡诬嚭奢d作用下曲線梁橋橫豎向耦合振動響應(yīng)的影響；Marchesiello等[5]建立七自由度系統(tǒng)3軸汽車模型，以恒定速度過橋，對一座三跨橋梁進(jìn)行了數(shù)值分析，研究橋梁扭轉(zhuǎn)模態(tài)形狀的動力響應(yīng)；Willis[6]不考慮橋梁本身的自重，通過建立車橋耦合振動方程，得出了近似的解析解，研究發(fā)現(xiàn)靜力作用下橋梁的應(yīng)力和變形均小于動力作用橋梁的應(yīng)力和變形。然而針對車橋耦合振動的研究大都集中于豎向的振動問題，對橫向耦合振動問題研究較少涉及。

為此，在豎向車橋耦合作用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮橫向車橋耦合的混凝土曲線橋動力響應(yīng)，以期得到混凝土曲線橋橫向位移的精確解，為防治混凝土曲線橋的橫向爬移病害提供參考依據(jù)。

1 曲線橋模型

1.1 曲線橋概況

以3 m×25 m的混凝土連續(xù)曲線橋作為研究對象，并建立相應(yīng)的有限元模型。曲線橋?yàn)閱蜗鋯问医孛?，橋梁中心線位于80.25 m的圓曲線上，該箱梁頂板寬度和厚度分別為8.5、0.25 m，底板寬度和厚度分別為4.5、0.2 m，腹板厚度為0.5 m，兩側(cè)懸臂板長度均為2 m，懸臂板端部厚度0.2 m，根部厚度0.4 m，由端部向根部按線性漸變。橫斷面如圖1所示。

圖1 曲線橋跨中、支點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖Fig.1 Standard cross section diagram of mid-span and fulcrum of curved bridge

1.2 有限元模型

通過有限元軟件ANSYS，建立曲線梁橋模型，同時(shí)劃分單元網(wǎng)格，主梁部分采用3D實(shí)體單元solid65，選用的材料參數(shù)為彈性模量3.45×104MPa，材料密度為2 600 kg/m3，泊松比0.2；針對蓋梁、支座墊石和橋墩，采用與主梁相同的參數(shù)建立模型，曲線橋有限元模型如圖2所示。

圖2 曲線橋?qū)嶓w單元模型Fig.2 Solid element model of curved bridge

2 耦合振動整車模型

2.1 車輛系統(tǒng)構(gòu)成

車輛是由輪胎、懸架、車體等相關(guān)元件所組成，各個元件在空間上存在6個自由度，因各個部件沿著行車方向產(chǎn)生伸縮對研究橫向和豎向的車橋耦合效應(yīng)幾乎沒有影響，因此各剛體的伸縮位移可以忽略，這樣，針對每個剛體，在運(yùn)動過程中可以只考慮5個自由度[7]，即橫移、側(cè)滾、浮沉、搖頭及點(diǎn)頭。為了更能真實(shí)地反映汽車在橋面上行駛的動態(tài)過程，擬采用三軸車輛(雙后軸)模型，分成7個剛體，即6個車輪和1個車體，整個車輛自由度為17[8]，其立面及側(cè)面如圖3所示。

圖3 三軸車輛模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-axle vehicle model

2.2 車輛參數(shù)

為了更能真實(shí)地反映汽車在橋面上行駛的動態(tài)過程，擬采用三軸自卸汽車的相關(guān)參數(shù)對車輛建立參數(shù)化模型[9-11]，車身質(zhì)量為28 500 kg，其車輛技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 車輛技術(shù)參數(shù)

2.3 耦合系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立與求解

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程組和結(jié)構(gòu)阻尼矩陣可推導(dǎo)出車橋耦合系統(tǒng)的運(yùn)動方程組，車橋兩個子系統(tǒng)表達(dá)式為

(1)

式(1)中：Mv、Mb、Cv、Cb、Kv、Kb分別為橋梁和車輛的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；因此可以用式(2)表示：

(2)

式(2)中：Fv、Fb分別為橋梁和車輛的整體外力向量，F(xiàn)b與車輛和橋梁的運(yùn)動有關(guān)，F(xiàn)v只與路面不平度和橋梁的運(yùn)動有關(guān)；δv、δb分別代表橋梁、車輛的自由度向量；i為路面粗糙度。

車輛系統(tǒng)與橋梁系統(tǒng)接觸處的幾何相容條件可以表示為

(3)

車與橋在接觸處的平衡條件可表示為

(4)

3 橫豎向車橋耦合曲線橋動力響應(yīng)

3.1 動力特性分析

運(yùn)用ANSYS對混凝土連續(xù)曲線橋進(jìn)行模態(tài)分析，得到背景橋梁的振動特性，對前6階的自振頻率進(jìn)行匯總，如表2所示：

表2 曲線橋模態(tài)分析

由表2可知，一階二階振型以豎向振動為主，三階振型除了豎向振動以外，還會伴隨著輕微的側(cè)向的彎扭耦合振動，而高階振型，彎扭耦合振動效應(yīng)明顯，與曲線橋的實(shí)際動力特性相符。

3.2 不考慮橫豎向車橋耦合

3.2.1 曲線橋橫向力

在不考慮橫豎向車橋耦合作用時(shí)，分別采用10、30、50、70 t車重，并以50 km/h的速度上橋。通過運(yùn)行分析，對不同車重情況下曲線橋跨中截面處沿半徑方向的力進(jìn)行分析，因研究對象為3 m×25 m 的混凝土連續(xù)曲線橋，即對1#跨中截面、2#跨中截面、3#跨中截面處的橫向力進(jìn)行分析，其時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 曲線橋跨中橫向力時(shí)程曲線Fig.4 Time-history curve of transverse force in mid-span of curved bridge

由圖4可以得到如下結(jié)論：當(dāng)車輛接近1#、2#、3#跨跨中時(shí)，曲線橋橫向力會逐漸變大。當(dāng)車輛經(jīng)過跨中時(shí)，橫向力產(chǎn)生突變，因?yàn)檐囕v為三軸車，質(zhì)量集中在三個軸處，所以突變會發(fā)生三次。

當(dāng)汽車后軸駛離跨中截面處，曲線橋橫向力達(dá)到反向最大值，車輛駛離曲線橋，橫向力逐漸變小。整個過程不涉及車橋耦合作用，所以曲線橋橫向力時(shí)程曲線比較圓滑，無波動產(chǎn)生。不同車重汽車上橋，橫向力的最大值明顯增大，說明車重對曲線橋的橫向力影響顯著。為了進(jìn)一步確定車重對橫向力的影響，對不同車重下各跨中截面橫向力的最大值進(jìn)行匯總，其跨中截面橫向力最大值如表3所示。

表3 跨中橫向力最大值

由表3可知，隨著車重增加，相同跨跨中橫向力最大值逐漸增加，70 t車重作用下，1#跨中截面橫向力最大值能達(dá)到244.75 kN，同一車重下，不同跨中截面產(chǎn)生的橫向力不同，其中1#跨中截面產(chǎn)生的橫向力高于其他截面。

3.2.2 曲線橋橫向位移

為了更加明確曲線橋真實(shí)變化情況，提取跨中截面橫向位移，繪制相關(guān)時(shí)程曲線，如圖5所示。

由圖5可以得到如下結(jié)論：不同車重汽車上橋，曲線橋跨中截面橫向位移變化趨勢相同，都逐漸增大，隨著車重的增加，曲線切線斜率越大，說明車重對曲線橋跨中截面橫向位移影響明顯。1#跨中截面橫橋向位移隨著汽車三個軸依次上橋而逐漸增大，0.5 s后，車輛后軸駛?cè)霕蛎妫瑫r(shí)程曲線不再有波動，1.2 s左右，車輛中心穿過1#梁跨中截面，其橫橋向位移達(dá)到峰值，之后逐漸減小。對于2#跨中截面，當(dāng)時(shí)間達(dá)到2.8 s左右時(shí)，此時(shí)汽車駛?cè)肟缰薪孛嫣?，其橫向位移達(dá)到峰值。3#跨中截面橫向位移與1#跨中截面具有對稱的變化趨勢。

圖5 曲線橋跨中橫向位移時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curve of lateral displacement in mid-span of curved bridge

為了進(jìn)一步確定車重對橫向位移的影響，對不同車重下各跨中截面橫向位移的最大值進(jìn)行匯總，其跨中截面橫向位移最大值如表4所示。

表4 跨中橫向位移最大值

由表4可知，隨車重增加，所有跨中截面的橫向最大位移值逐漸變大；同一車重下，位于邊跨的截面產(chǎn)生的橫向位移大于中跨截面，70 t車重作用下，1#跨中截面橫向位移最大能達(dá)到0.722 mm。

3.3 考慮橫豎向車橋耦合

3.3.1 曲線橋橫向力

在考慮橫豎向車橋耦合作用的情況下，分別采用10、30、50、70 t的車重，以50 km/h的速度上橋，通過對車橋耦合作用不同車重汽車上橋進(jìn)行分析，提取曲線橋跨中截面處沿半徑方向的力，其時(shí)程曲線如圖6所示。

由圖6可以得到如下結(jié)論：橫豎向車橋耦合作用下，不同車重的跨中橫向力時(shí)程曲線變化趨勢總體不變。當(dāng)車輛接近1#、2#、3#跨跨中時(shí)，曲線橋橫向力會逐漸變大，因?yàn)榭紤]到橫豎向車橋耦合作用，橫向力的變化曲線會產(chǎn)生波動性。當(dāng)車輛經(jīng)過跨中時(shí)，橫向力產(chǎn)生突變，變化趨勢與不考慮車橋耦合作用一致。車輛駛離曲線橋，橫向力逐漸變小，曲線橋橫向力時(shí)程曲線會隨之產(chǎn)生一定的波動，且逐漸減小。為了進(jìn)一步確定車重對橫向力的影響，對不同車重下各跨中截面橫向力的最大值進(jìn)行匯總，其跨中截面橫向力最大值如表5所示。

圖6 曲線橋跨中橫向力時(shí)程曲線Fig.6 Time-history curve of transverse force in mid-span of curved bridge

由表5可知，相同跨跨中橫向力最大值隨車重變化與不考慮車橋耦合效應(yīng)一致，即都逐漸增加。70 t車重作用下，同一車重1#跨中截面橫向力最大值大于其他截面，說明車重增加曲線橋橫向受力越不利，1#跨中截面橫向力最大值能達(dá)到248.25 kN。

表5 跨中橫向力最大值

綜上所述，是否考慮橫豎向車橋耦合作用，對曲線橋的橫向力進(jìn)行對比分析，繪制柱狀圖，如圖7所示。

圖7 曲線橋跨中橫向力對比Fig.7 Comparison of transverse forces in mid-span of curved bridge

由圖7可知，隨著車重的增加，各跨中截面的最大橫向力逐漸變大，這與不考慮車橋耦合作用變化趨勢一致。車重相同的情況下，各個跨中截面的橫向力比不考慮橫豎向車橋耦合作用的數(shù)值大。

3.3.2 曲線橋橫向位移

提取考慮橫豎向車橋耦合作用下曲線橋跨中截面產(chǎn)生的橫向位移，其時(shí)程曲線如圖8所示。

圖8 曲線橋跨中橫向位移時(shí)程曲線Fig.8 Time-history curve of lateral displacement in mid-span of curved bridge

由圖8可以得出如下結(jié)論：考慮橫豎向車橋耦合作用下，各跨中截面的橫向位移時(shí)程變化曲線具有一定的波動性，特別是車輛剛駛?cè)霕蛎婧碗x開橋面時(shí)波動性比較明顯，但是1#、2#、3#跨跨中截面橫向位移變化趨勢同于不考慮橫豎向車橋耦合情況。不同車重汽車上橋，曲線橋跨中截面橫向位移變化趨勢相同，都逐漸增大，隨著車重的增加，曲線形狀越陡，這與不考慮車橋耦合作用變化趨勢一致。是否考慮車橋耦合作用，橫向位移的峰值所出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)會存在一定的差別，但差別不大，在0.2 s之內(nèi)。為了進(jìn)一步確定車重對橫向位移的影響，提取不同車重下各跨中截面橫向位移的最大值。其跨中截面橫向位移的最大值如表6所示。

由表6可知，增加車重，各截面的橫向最大位移值也逐漸變大，這與不考慮車橋耦合作用產(chǎn)生的結(jié)果是一致的，70 t車重作用下，1#跨中截面橫向位移最大值能達(dá)到0.796 mm，比不考慮橫豎向車橋耦合作用增大了10.25%，因此在對曲線橋橫向動力響應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，有必要計(jì)入車橋耦合效應(yīng)。

表6 跨中橫向位移最大值

綜上所述，是否考慮橫豎向車橋耦合作用，對曲線橋的橫向位移進(jìn)行對比分析，繪制柱狀圖，如圖9所示。

圖9 曲線橋跨中橫向位移對比Fig.9 Comparison diagram of transverse displacement in mid-span of curved bridge

由圖9可知，隨著車重的增加，各跨中截面的最大橫向位移逐漸變大，這與不考慮車橋耦合作用變化趨勢一致。車重相同的情況下，各個跨中截面的橫向位移比不考慮橫豎向車橋耦合作用的數(shù)值大，其中1#跨中、3#跨中橫向位移變化最為明顯。

4 結(jié)論

從車輛自重入手，分析不同車重下考慮橫豎向車橋耦合作用曲線橋的動力響應(yīng)情況，得到以下結(jié)論。

(1)曲線橋前兩階振型以豎向振動為主，三階振型除了豎向振動以外，還會伴隨著輕微的側(cè)向的彎扭耦合振動，而高階振型，彎扭耦合振動效應(yīng)明顯。

(2)不考慮車橋耦合作用，曲線橋橫向力、橫向位移時(shí)程曲線比較圓滑，無波動產(chǎn)生；考慮到橫豎向車橋耦合作用，橫向力和橫向位移的時(shí)程曲線會產(chǎn)生波動性，尤其是車輛剛駛?cè)霕蛎婧碗x開橋面時(shí)波動性較為明顯

(3)隨著車重增加，相同跨跨中截面橫向力、橫向位移最大值也逐漸增大，這與不考慮車橋耦合作用變化趨勢一致。

(4)車重相同的情況下，各個跨中截面的橫向力和橫向位移均比不考慮橫豎向車橋耦合作用的數(shù)值大。