鄒寶剛 張 碩
(1.天津市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,天津 300384; 2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401)
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊系數(shù)的研究已取得了相當(dāng)豐富的成果,從計(jì)算方法、模型建立、各個(gè)影響因素等方面都做了比較系統(tǒng)的分析。沖擊系數(shù)表達(dá)方面,目前規(guī)范中只用了結(jié)構(gòu)基頻一個(gè)參數(shù)來(lái)定義。在車(chē)輛模型建立方面,大都是采用簡(jiǎn)化的彈簧質(zhì)量車(chē)模型、兩軸車(chē)模型、三軸車(chē)模型等等[1-4];車(chē)橋耦合分析方面,大多都采用理論推導(dǎo)的車(chē)橋耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程,通過(guò)自編程序進(jìn)行車(chē)輛過(guò)橋的動(dòng)力時(shí)程分析,計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜,得到的結(jié)果也有所差異[5,6]。
在本文中主要研究車(chē)橋耦合振動(dòng)的一種仿真分析方法,并用于沖擊系數(shù)的影響因素分析。主要通過(guò)大型通用有限元軟件ANSYS建立橋梁模型,得到橋梁的動(dòng)力特性;運(yùn)用新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件UM建立可視化的三維車(chē)輛模型。然后運(yùn)用ansys_um.exe接口程序?qū)蛄耗P蛯?dǎo)入到UM軟件中,進(jìn)而在UM軟件中進(jìn)行車(chē)橋耦合振動(dòng)的不同工況分析。這一聯(lián)合仿真模擬可以達(dá)到較好的仿真效果。
本文從《公路橋梁結(jié)構(gòu)上部構(gòu)造系列通用設(shè)計(jì)圖》(2010年版)中選用具有代表性的箱梁截面,按連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)一座橋梁,圖1為橋梁跨中橫斷面圖,表1為橋梁的基本信息。
主梁類(lèi)型結(jié)構(gòu)形式跨度/m基頻箱梁橋連續(xù)3×306.8413×355.0813×403.924
橋梁模型的建立采用有限元軟件ANSYS,材料的彈性模量為34.5 GPa,密度為2 500 kg/m3,泊松比為0.2。選用實(shí)體單元Solid65進(jìn)行模擬,以獲取較高的精度,建模過(guò)程使用APDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序?qū)С鰳蛄旱念l率向量和模態(tài)振型矩陣,用于后續(xù)的車(chē)橋耦合振動(dòng)分析。圖2為使用ANSYS建立的部分橋梁模型圖,其他橋梁模型圖不一一列出。
為了便于進(jìn)行橋梁沖擊系數(shù)的對(duì)比分析,車(chē)輛模型的參數(shù)為:Mvr=35 000 kg,KvL=KvR=2.475×104N/m,CvL=CvR=3 502 kN·s/m。運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM中參數(shù)化建模的方法建立車(chē)輛模型。建立的車(chē)輛模型如圖3所示。
車(chē)橋耦合振動(dòng)模型的建立采用UM軟件子系統(tǒng)建模技術(shù),車(chē)輛模型建立好以后,可以將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)子系統(tǒng)(Subsystem),然后在當(dāng)前模型中再添加一個(gè)子系統(tǒng),并命名為bridge,通過(guò)軟件的柔性體導(dǎo)入向?qū)?Wizard of flexible subsystems)將已經(jīng)轉(zhuǎn)換的橋梁模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行耦合振動(dòng)分析。
利用聯(lián)合仿真模型進(jìn)行車(chē)輛和橋梁的耦合,建立模型如圖4所示。
大量的研究證明車(chē)輛行駛速度對(duì)車(chē)橋耦合振動(dòng)有一定的影響[7-10],本節(jié)研究車(chē)速對(duì)連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響,考慮其他條件相同,橋面平整度選擇為一般等級(jí)(C),三軸車(chē)速度為20 km/h~120 km/h,分別研究連續(xù)梁橋邊跨跨中和中跨跨中的沖擊系數(shù)變化規(guī)律。
由于連續(xù)梁橋兩個(gè)邊跨的位移曲線剛好呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的形式,所以圖5只列出了3×30 m連續(xù)箱梁橋其中一個(gè)邊跨和中跨在不同車(chē)速下的位移時(shí)程曲線。
從圖5的位移時(shí)程曲線可以看出,由于車(chē)橋耦合作用的存在,車(chē)輛行駛過(guò)程中橋梁位移會(huì)出現(xiàn)不斷波動(dòng)的狀態(tài),在車(chē)輛駛離橋梁后,由于阻尼的存在,橋梁仍然出現(xiàn)小幅振動(dòng),直至位移為零。邊跨跨中達(dá)到最大動(dòng)位移時(shí)刻和中跨跨中達(dá)到最大動(dòng)位移時(shí)刻不同,且邊跨跨中最大動(dòng)位移基本大于中跨跨中最大動(dòng)位移;隨著車(chē)速的變化,兩者最大動(dòng)位移有著明顯的變化,認(rèn)為車(chē)速對(duì)連續(xù)梁橋的動(dòng)力響應(yīng)有影響。
三軸車(chē)以不同速度通過(guò)橋梁時(shí)沖擊系數(shù)的數(shù)據(jù),為了進(jìn)行直觀的比較分析,將沖擊系數(shù)隨車(chē)速變化圖繪制如圖6所示。
從圖6a)中可以看出,隨著車(chē)速的增加,30 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì),在車(chē)速達(dá)到80 km/h時(shí),沖擊系數(shù)達(dá)到最小值;35 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的往復(fù)變化趨勢(shì),在車(chē)速20 km/h時(shí),沖擊系數(shù)為最大值;40 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)也呈現(xiàn)先減小后增大的往復(fù)變化趨勢(shì),在車(chē)速20 km/h時(shí),沖擊系數(shù)達(dá)到最大值,車(chē)速?gòu)?00 km/h到120 km/h變化過(guò)程中,沖擊系數(shù)減小較緩慢。分析三種不同變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),車(chē)速越低在橋上行駛時(shí)間越長(zhǎng),橋梁振動(dòng)比較顯著,高頻波段得到了充分的發(fā)展,沖擊作用較明顯。
從圖6b)中可以看出,隨著車(chē)速的增加,30 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)與邊跨跨中變化一致;35 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),在車(chē)速達(dá)到80 km/h時(shí),沖擊系數(shù)達(dá)到最大值;40 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小再增大變化趨勢(shì),在車(chē)速達(dá)到120 km/h時(shí),沖擊系數(shù)達(dá)到最大值。分析三種不同變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),由此得到的沖擊系數(shù)和規(guī)范中沖擊系數(shù)和跨徑呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相反,這是因?yàn)橐?guī)范中計(jì)算沖擊系數(shù)只考慮了基頻,沒(méi)有考慮由于車(chē)橋耦合產(chǎn)生的沖擊作用的影響導(dǎo)致的,進(jìn)一步說(shuō)明沖擊系數(shù)不僅僅和橋梁基頻有關(guān),和車(chē)速也有著很大的關(guān)系。
本文主要針對(duì)公路橋梁車(chē)橋耦合振動(dòng)的沖擊系數(shù)進(jìn)行了研究,研究中首次運(yùn)用了新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件UM和有限元軟件ANSYS的結(jié)合建立了車(chē)橋耦合振動(dòng)模型,基于車(chē)橋耦合振動(dòng)模型對(duì)連續(xù)梁橋進(jìn)行研究,最后分析了車(chē)輛速度對(duì)沖擊系數(shù)的影響得到了以下結(jié)論:
1)連續(xù)梁橋車(chē)速在20 km/h時(shí)比40 km/h~120 km/h時(shí)的沖擊系數(shù)大,達(dá)到80 km/h時(shí)比100 km/h~120 km/h的沖擊系數(shù)大,在中跨跨中車(chē)輛速度在40 km/h左右時(shí)比120 km/h左右時(shí)的沖擊系數(shù)大,體現(xiàn)了不同的車(chē)輛速度使沖擊系數(shù)不同。
2)連續(xù)梁橋的邊跨跨中沖擊系數(shù)基本都呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢(shì),而中跨跨中的沖擊系數(shù)則呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。
3)連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)大于邊跨跨中的沖擊系數(shù),計(jì)算時(shí)以中跨跨中的沖擊系數(shù)為準(zhǔn)。
4)隨著橋梁跨徑的增加,沖擊系數(shù)逐漸增大,和規(guī)范中沖擊系數(shù)和跨徑呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相反,這是因?yàn)橐?guī)范中計(jì)算沖擊系數(shù)只考慮了基頻,沒(méi)有考慮由于車(chē)橋耦合產(chǎn)生的沖擊作用的影響導(dǎo)致的,進(jìn)一步說(shuō)明沖擊系數(shù)不僅僅和橋梁基頻有關(guān),和車(chē)速也有著很大的關(guān)系。
5)在此方法之上可以拓展到多因素對(duì)沖擊系數(shù)的影響。