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(xué)， 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(shù)橋梁設(shè)計(jì)中未充分考慮移動車輛的動力效應(yīng)，致使大部分橋梁處于超載運(yùn)營狀態(tài)。目前計(jì)算能力的加強(qiáng)，使研究人員能采用更真實(shí)的橋梁和車輛模型分析橋梁和移動車輛的動態(tài)特性。該文以某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，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(nèi)置的接觸算法進(jìn)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(tuán)有限公司生產(chǎn)的豪沃三軸載重自卸貨車，其外形見圖 1。結(jié)合全車整備質(zhì)量及荷載試驗(yàn)時(shí)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(shí)體單元及離散單元構(gòu)建車輛模型，車身、車梁、輪盤的一部分使用實(shí)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(guān)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(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)剛構(gòu)。主墩采用雙薄壁橋墩+鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主橋箱梁采用C55砼，主墩墩身采用C40砼。采用六節(jié)點(diǎn)或八節(jié)點(diǎn)的全積分實(shí)體單元模擬橋梁各部分，包括2個(gè)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(yàn)結(jié)果分析

對該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，部分荷載布置見圖4?；诤奢d實(shí)測結(jié)果，得出靜載作用下結(jié)構(gòu)主跨跨中彈性變位曲線(見圖5～7)。

圖4 試驗(yàn)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(shí)測撓度小于理論計(jì)算撓度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3 橋梁動力響應(yīng)

設(shè)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(yīng)力進(jìn)行對比，分析橋梁的動態(tài)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(cè)；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(cè)。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?cè)氩⑼ㄟ^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(shí)程曲線

圖11 各工況下中跨跨中撓度時(shí)程曲線

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

圖12 各工況下邊跨跨中主拉應(yīng)力時(shí)程曲線

圖13 各工況下3#墩墩頂主拉應(yīng)力時(shí)程曲線

圖14 各工況下中跨跨中主拉應(yīng)力時(shí)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(shù)的增加，峰值正豎向位移和峰值負(fù)豎向位移都增大，但并非線性增長；豎向應(yīng)力或位移波動幅度也增大。2) 應(yīng)力或位移的波峰隨著車輛數(shù)的增加而逐漸右移并呈現(xiàn)滯后性，其與車輛布置特別是車輛沿橋梁縱向的間隔相關(guān)。隨著車輛數(shù)的增加，整個(gè)車隊(duì)的軸載重心沿橋梁縱向逐步后移，當(dāng)軸載重心經(jīng)過相應(yīng)截面時(shí)，才會出現(xiàn)峰值位移，故峰值位移的波峰逐漸呈現(xiàn)滯后性。3) 工況7與工況6的重車數(shù)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(shí)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(dá)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(yīng)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(yīng)，可能引起橋梁結(jié)構(gòu)損傷。而重車間隔較大，之間相隔有其他較輕車輛時(shí)，引起的動力響應(yīng)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(shí)程曲線

4 結(jié)論

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

(2) 隨著車輛數(shù)量的增多，峰值位移或應(yīng)力的波峰逐漸右移，并呈現(xiàn)滯后性。

(3) 隨著車輛間距的增大，車輛對橋梁的動力響應(yīng)減小。