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        車輛荷載作用下雙工字鋼-混凝土組合梁橋主梁動(dòng)力分析

        2022-07-25 03:52:44李瓊慧尹棟佳
        福建交通科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:梁橋平順工字鋼

        ■李瓊慧 尹棟佳

        (湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430050)

        隨著交通量的不斷增大, 城市橋梁得以快速發(fā)展。鋼-混組合結(jié)構(gòu)因能充分利用鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn),且便于施工,而被廣泛應(yīng)用。雙工字鋼-混組合梁橋作為鋼-混組合梁橋的一種,在美國、日本、歐洲等國較為流行且學(xué)者們進(jìn)行了大量深入研究,在我國則應(yīng)用較晚,尚未形成完整的設(shè)計(jì)指導(dǎo)體系。荊國強(qiáng)等[1]對(duì)雙工字鋼-混組合梁橋的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究分析;李彥偉[2]研究分析了鋼梁的高度對(duì)雙工字鋼板組合梁的力學(xué)性能影響,給出了梁高的建議取值;江林松等[3]對(duì)雙工字鋼-混組合連續(xù)彎梁橋的有效寬度進(jìn)行了研究分析,認(rèn)為橋面板橫斷面正應(yīng)力分布受彎扭耦合效應(yīng)的影響較大,從而導(dǎo)致內(nèi)、外側(cè)主梁對(duì)應(yīng)的橋面板正應(yīng)力分布失去對(duì)稱性。 綜上可知,對(duì)于雙工字鋼-混組合梁橋的研究主要集中在截面形式、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面,對(duì)雙工字鋼-混組合梁橋動(dòng)力性能的研究較少[4-5]。 雙工字鋼-混組合梁橋由雙主梁、剪力連接件、混凝土板組成。 主梁是橋梁的主要承重結(jié)構(gòu), 因此有必要研究分析雙工字鋼-混組合梁橋主梁的振動(dòng)特性。本文依托ANSYS有限元軟件,以三跨連續(xù)雙工字鋼-混組合梁橋?yàn)楸尘埃⒘塑?橋有限元模型,分析橋面不平順、車速、車距等因素對(duì)主梁動(dòng)力特性的影響。

        1 車橋耦合分析模型

        1.1 橋梁模型

        我國某座三跨連續(xù)雙工字鋼-混凝土組合梁橋,跨徑組合為30 m+30 m+30 m。 混凝土面板厚25 cm,選用C50 混凝土。 兩縱梁梁高為150 cm,縱梁間距為750 cm,橫隔梁標(biāo)準(zhǔn)間距為350 cm,鋼梁采用Q345qD 工字鋼。 鋼梁和混凝土板通過剪力連接件連接。

        利用ANSYS 軟件建立三跨連續(xù)雙工字鋼-混組合梁橋整體模型(圖1)。 混凝土橋面板采用實(shí)體單元建立,鋼梁采用梁單元建立,剪力連接件采用彈簧單元建立。 橋梁動(dòng)力平衡方程[6]如式(1)所示:

        圖1 雙工字鋼-混組合梁橋有限元模型

        式中:Mb、Cb、Kb分別為橋梁的質(zhì)量矩陣、 阻尼矩陣、剛度矩陣;δ、δ˙、δ¨分別為橋梁的位移向量、速度向量、加速度向量;Pb為橋梁受到的外力向量。

        1.2 車輛模型

        常用的車輛模型有單輪模型、1/4 模型、1/2 模型、三維空間模型。 三維空間模型由車體、懸架和車輪等組成。 假定三維空間模型的車身、懸架和車輪為剛體,3 種剛體之間通過彈簧阻尼器進(jìn)行連接。車輛參數(shù)詳見文獻(xiàn)[7],三維空間車輛模型如圖2 所示。車輛振動(dòng)方程如式(2)所示:

        圖2 車輛模型

        式中:Mv、Cv、Kv分別為車輛的質(zhì)量矩陣、 阻尼矩陣、剛度矩陣;Zv、Z˙v、Z¨v分別為車輛的位移向量、速度向量、加速度向量;Pv為車輛受到的外力向量。

        1.3 車橋模型

        假定車輛在行駛過程中不會(huì)發(fā)生跳車現(xiàn)象,并且考慮路面不平順的影響,位移協(xié)調(diào)條件關(guān)系式如式(3)所示:

        式中:Cw、Kw分別為輪組阻尼和剛度矩陣;Z˙r、Zr分別為輪組的相對(duì)位移向量和相對(duì)速度向量。

        2 橋面不平順生成

        橋面不平順服從高斯概率分布的隨機(jī)過程,可采用橋面功率譜密度函數(shù)的傅里葉逆轉(zhuǎn)換得到橋面不平整度[8]。

        式中,f(nk)為功率譜密度函數(shù);θk為0-2π 之間服從均勻分布的隨機(jī)相位角;nk為空間頻率。

        圖3 為橋面等級(jí)為A、B、C、D 級(jí)的樣本曲線圖。

        圖3 橋面不平順樣本曲線

        3 主梁動(dòng)力分析

        3.1 橋面不平順的影響

        橋面不平順對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)有著重要影響,參數(shù)設(shè)置如下:車速為60 km/h,橋面等級(jí)為A、B、C、D 級(jí),加載車道為2#車道。 中跨跨中的鋼梁豎向位移時(shí)程曲線如圖4 所示。

        圖4 鋼梁豎向位移時(shí)程曲線

        由圖4 可知,隨著橋面不平順的退化,鋼梁豎向位移時(shí)程曲線波動(dòng)加劇。當(dāng)橋面等級(jí)從A 等級(jí)退化到D 等級(jí)時(shí),工字鋼梁的豎向位移絕對(duì)最大值由7.37 mm 增大到8.43 mm,位移值增加了14.4%。

        3.2 行車間距的影響

        車間距是影響車橋耦合振動(dòng)的另一個(gè)因素。 對(duì)車間距進(jìn)行研究,采用2 輛加載車,以90 km/h 的車速通過B 等級(jí)的路面, 車間距分別為5、10、20 m。中跨跨中鋼梁豎向位移時(shí)程曲線如圖5 所示。

        圖5 鋼梁豎向位移時(shí)程曲線

        根據(jù)圖5 可知, 車輛從橋頭行駛到中跨跨中時(shí),橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)大于車輛從中跨跨中行駛到橋尾時(shí)橋梁產(chǎn)生的振動(dòng)。 當(dāng)車輛間距由5 m 增加到20 m 時(shí),位移時(shí)程曲線發(fā)生輕微波動(dòng),說明車距的不同雖會(huì)影響橋梁的振動(dòng),但影響程度較小。

        3.3 車速的影響

        為研究車輛行駛速度對(duì)鋼-混組合橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響,設(shè)置如下參數(shù):車重為35 t,車輛數(shù)為2 輛,車間距為5 m,路面不平順等級(jí)為B 級(jí),車輛行駛速度分別為30、60、90 km/h。 分析3 種車速下鋼梁的動(dòng)力響應(yīng),工字鋼的中跨跨中豎向位移時(shí)程曲線如圖6 所示。

        圖6 鋼梁豎向位移時(shí)程曲線

        根據(jù)圖6 可知,當(dāng)車速由30 km/h 增加到90 km/h 時(shí),鋼梁中跨跨中的豎向位移絕對(duì)最大值從7.79 mm 增加到10.35 mm,位移值增加了32.8%。

        3.4 車輛數(shù)的影響

        單幅雙工字鋼-混組合梁橋由單向兩車道組成,單車以60 km/h 的速度分別通過路面等級(jí)為B的1# 車道、2# 車道,及雙車同時(shí)以60 km/h 的速度通過路面等級(jí)為B 的2 個(gè)車道。車輛加載方式如圖7所示,中跨跨中工字鋼豎向位移時(shí)程曲線如圖8所示。

        圖7 車輛加載數(shù)

        圖8 鋼梁豎向位移時(shí)程曲線

        根據(jù)圖8 可知,車輛在1# 車道、2# 車道、雙車道加載時(shí),鋼梁豎向位移絕對(duì)最大值分別為2.61、7.5、10.67 mm。

        3.5 車輛按最不利加載與標(biāo)準(zhǔn)車道加載影響分析

        考慮到橋梁橫向的不確定性,選取車輛按最不利工況行駛及按標(biāo)準(zhǔn)車道行駛的2 種加載進(jìn)行研究分析。工況一(偏載),車輛在距路邊緣0.5 m 處行駛時(shí)為最不利位置行駛;工況二(中載),車輛按標(biāo)準(zhǔn)車道沿著道路中心線行駛。 車輛以60 km/h 速度通過路面不平順等級(jí)為B 級(jí)的橋面。車輛加載工況如圖9 所示,中跨跨中處鋼梁豎向位移時(shí)程曲線如圖10 所示。

        圖9 車輛加載工況

        圖10 鋼梁豎向位移時(shí)程曲線

        由圖10 可知,偏載和中載作用下,工字鋼的豎向位移差值為2.59 mm, 中載下鋼梁跨中豎向位移大于偏載下鋼梁跨中豎向位移值。 車輛在不同位置加載對(duì)結(jié)構(gòu)影響不同,因此為準(zhǔn)確研究結(jié)構(gòu)的性能需要基于車輛實(shí)際的加載方式。

        3.6 混凝土強(qiáng)度的影響

        為研究混凝土強(qiáng)度對(duì)主梁動(dòng)力特性的影響,設(shè)置如下參數(shù):B 等級(jí)的路面,80 km/h 的速度, 混凝土強(qiáng)度為C40、C50、C60。中跨跨中鋼梁豎向位移時(shí)程曲線如圖11 所示。

        圖11 鋼梁豎向位移時(shí)程曲線

        由圖11 可知, 混凝土強(qiáng)度對(duì)主梁豎向位移的影響很小。

        4 結(jié)論

        (1)隨著橋面的退化,主梁位移時(shí)程曲線波動(dòng)加劇。 當(dāng)橋面不平順等級(jí)從A 級(jí)退化到D 級(jí),鋼梁的豎向位移絕對(duì)最大值由7.37 mm 增大到8.43 mm,位移值增加了14.4%。 因此,要及時(shí)加強(qiáng)路面的養(yǎng)護(hù)工作,不僅可以提高行車舒適性,而且可以有效減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。 (2)隨著車速的增大,鋼梁中跨跨中的豎向位移絕對(duì)最大值從7.79 mm 增加到10.35 mm,增加了32.8%。 因此,有必要限值行車速度,不僅能保證行車安全,而且可以有效緩解主梁的振動(dòng)。 (3)車輛分布不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響存在差異,為準(zhǔn)確研究結(jié)構(gòu)的性能需要基于車輛實(shí)際的加載方式。 (4)混凝土強(qiáng)度的改變對(duì)主梁振動(dòng)影響很小。

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