劉勇， 殷新鋒

(1.湖北嘉魚(yú)長(zhǎng)江公路大橋有限公司， 湖北 武漢 430050；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

近年來(lái)，重型車(chē)輛不斷增多，加劇了橋梁的損傷。中國(guó)多數(shù)橋梁設(shè)計(jì)中未充分考慮移動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力效應(yīng)，致使大部分橋梁處于超載運(yùn)營(yíng)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(chē)輛模型分析橋梁和移動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)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?jiǎn)化的三軸重載貨車(chē)模型和橋梁三維有限元模型，通過(guò)顯示求解程序LS-DYNA內(nèi)置的接觸算法進(jìn)行車(chē)-橋耦合振動(dòng)仿真分析。

1 車(chē)橋耦合有限元模型

1.1 車(chē)輛模型

汽車(chē)參照對(duì)象為中國(guó)重型汽車(chē)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的豪沃三軸載重自卸貨車(chē)，其外形見(jiàn)圖 1。結(jié)合全車(chē)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(chē)

使用殼單元、梁?jiǎn)卧?、?shí)體單元及離散單元構(gòu)建車(chē)輛模型，車(chē)身、車(chē)梁、輪盤(pán)的一部分使用實(shí)體單元，懸架部分使用梁?jiǎn)卧㈦x散單元(包括阻尼單元和彈簧單元)，車(chē)頭、輪胎、輪轂、輪盤(pán)的另一部分使用殼單元。圖 2為車(chē)輛三維有限元模型。

圖2 車(chē)輛三維有限元模型

輪胎、輪盤(pán)和輪轂組成車(chē)輪，其中輪胎使用橡膠材料，輪轂和輪盤(pán)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(jiàn)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(duì)該橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，部分荷載布置見(jiàn)圖4?；诤奢d實(shí)測(cè)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(jiàn)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(duì)稱(chēng)加載荷載-彈性變位曲線

圖6 第二跨中梁對(duì)稱(chēng)加載荷載-彈性變位曲線

圖7 第二跨2#邊梁對(duì)稱(chēng)加載荷載-彈性變位曲線

由圖5～7可知：實(shí)測(cè)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(dòng)力響應(yīng)

設(shè)置7種車(chē)輛荷載工況，對(duì)主橋箱梁在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處(即邊跨跨中、3#墩頂、中跨跨中，見(jiàn)圖8)的撓度與應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，分析橋梁的動(dòng)態(tài)特征。

圖8 動(dòng)載分析截面示意圖(單位：m)

7種動(dòng)載工況如下：工況1為 1輛35 t重車(chē)行駛在橋梁縱向中軸線上；工況2為2輛35 t重車(chē)并排對(duì)稱(chēng)行駛在橋梁縱向中軸線兩側(cè)；工況3為3輛35 t重車(chē)呈品字形以橋梁縱向中軸線對(duì)稱(chēng)放置；工況4為4輛35 t重車(chē)以橋梁縱向中軸線對(duì)稱(chēng)放置；工況5為5輛35 t重車(chē)呈工字形以橋梁縱向中軸線對(duì)稱(chēng)放置；工況6為6輛35 t重車(chē)以橋梁縱向中軸線對(duì)稱(chēng)放置；工況7為6輛35 t重車(chē)、8輛1.5 t小汽車(chē)對(duì)稱(chēng)行駛在橋梁縱向中軸線兩側(cè)。各工況下車(chē)間沿橋梁橫向、縱向間距分別為1.3、4 m，車(chē)輛均以30 m/s的速度從橋外駛?cè)氩⑼ㄟ^(guò)橋梁。

各工況下邊跨跨中撓度見(jiàn)圖9，3#墩墩頂撓度見(jiàn)圖 10，中跨跨中撓度見(jiàn)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(jiàn)圖 12，3#墩墩頂主拉應(yīng)力見(jiàn)圖 13，中跨跨中主拉應(yīng)力見(jiàn)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(chē)到工況6的6輛重車(chē)，隨著車(chē)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(zhǎng)；豎向應(yīng)力或位移波動(dòng)幅度也增大。2) 應(yīng)力或位移的波峰隨著車(chē)輛數(shù)的增加而逐漸右移并呈現(xiàn)滯后性，其與車(chē)輛布置特別是車(chē)輛沿橋梁縱向的間隔相關(guān)。隨著車(chē)輛數(shù)的增加，整個(gè)車(chē)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(guò)相應(yīng)截面時(shí)，才會(huì)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(chē)數(shù)目相同，工況7多了8輛小汽車(chē)，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(chē)軸載只有1.5 t，重車(chē)軸載達(dá)35 t，由于工況7重車(chē)之間穿插有小汽車(chē)，重車(chē)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(shuō)明重車(chē)扎堆行駛會(huì)引起較大的動(dòng)力響應(yīng)，可能引起橋梁結(jié)構(gòu)損傷。而重車(chē)間隔較大，之間相隔有其他較輕車(chē)輛時(shí)，引起的動(dòng)力響應(yīng)較小而緩和，有利于行車(chē)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(chē)輛質(zhì)量越大(小汽車(chē)相較重車(chē)引起的動(dòng)力響應(yīng)小得多)，車(chē)輛數(shù)量越多，橋梁跨中截面的動(dòng)力響應(yīng)增大。

(2) 隨著車(chē)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(chē)輛間距的增大，車(chē)輛對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)減小。