李尚

（浙江浙交檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310015）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市擴(kuò)張和路網(wǎng)交通的快速擴(kuò)張覆蓋，高強(qiáng)度的交通運(yùn)輸對(duì)于道路橋梁的結(jié)構(gòu)性能也有了更高的需求。以混凝土為主材的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁具備了造價(jià)低、剛度大、穩(wěn)定性和整體性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，但其隨跨徑的增大，自重仍是阻礙跨越能力提高的主要因素；鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其跨越能力強(qiáng)、承載能力高、模塊化裝配等優(yōu)勢(shì)普遍應(yīng)用于公路、鐵路橋梁中，但鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件穩(wěn)定性較差，且其造價(jià)高昂。綜合考慮預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁及鋼結(jié)構(gòu)橋梁的各自優(yōu)缺點(diǎn)，并發(fā)揮各自性能，混合梁結(jié)構(gòu)就此得到了發(fā)展[1]。

針對(duì)橋梁的動(dòng)力特性分析是隨著火車(chē)與汽車(chē)的大規(guī)模應(yīng)用而逐漸發(fā)展進(jìn)步的。在橋梁的實(shí)際使用中，車(chē)橋振動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，但隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)步，學(xué)者們可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的有限元計(jì)算軟件以滿足對(duì)橋梁動(dòng)力性能的模擬計(jì)算。許世杰采用振動(dòng)模態(tài)的方法建立車(chē)—橋系統(tǒng)動(dòng)力方程，進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。肖盛燮計(jì)算分析了不同車(chē)速、不同車(chē)輛質(zhì)量作用時(shí)的連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)變化[2]。Paultre 等[3]針對(duì)公路橋梁的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，發(fā)展完善了一套通用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序方法，并驗(yàn)證了試驗(yàn)對(duì)于有限元模型的驗(yàn)證可靠性。Nassif 等[4]采用車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)測(cè)量橋梁動(dòng)力反應(yīng)及對(duì)應(yīng)的移動(dòng)荷載，發(fā)現(xiàn)隨著車(chē)輛質(zhì)量的增加沖擊系數(shù)不斷減小。Burdet 等[5]通過(guò)分析多座橋梁跨徑與其自振頻率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)橋梁自振頻率隨著其跨徑的增加不斷減小，并結(jié)合車(chē)輛動(dòng)力荷載試驗(yàn)的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)橋梁剛度與自振頻率之間有著密切相關(guān)性。

本研究以長(zhǎng)興金溪大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，系統(tǒng)研究了在車(chē)輛移動(dòng)荷載作用下的鋼混結(jié)合段應(yīng)力情況及各分離式鋼箱梁的動(dòng)力性能。

1 工程概況

本文研究?jī)?nèi)容依托于長(zhǎng)興金溪大橋，主橋結(jié)構(gòu)為65m+40m+65m 的單箱砼—多箱鋼混合梁連續(xù)梁橋，金溪大橋整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示?；炷料淞簽閱蜗淙医Y(jié)構(gòu)，箱梁頂面寬18.75m，兩側(cè)翼緣長(zhǎng)為2.5m，底面寬為13.75m。金溪大橋主橋鋼箱梁長(zhǎng)為40m，其斷面寬度與混凝土箱梁一致，但鋼箱梁采用的是四箱單室設(shè)計(jì)，鋼箱梁頂面總寬為18.75m，兩側(cè)翼緣長(zhǎng)為2.5m，底面總寬為13.79m。

圖1 金溪大橋立面圖（單位：cm）

2 有限元模型

2.1 主梁模型

金溪大橋中跨鋼箱梁采用ABAQUS 軟件的殼單元進(jìn)行構(gòu)建。在各分離式鋼箱內(nèi)頂板、底板、腹板設(shè)置縱向加勁肋；在鋼箱之間沿縱向每隔1.5m 設(shè)置有大小橫隔梁；同時(shí)在鋼混結(jié)合段按照?qǐng)D紙尺寸建立有承壓板、PBL板、剪力釘及混凝土格室。在鋼混結(jié)合段部分，結(jié)合段的鋼箱梁部分（剪力釘、PBL 板及鋼箱梁端部）內(nèi)嵌于預(yù)應(yīng)力混凝土部分，且預(yù)應(yīng)力鋼筋與鋼箱梁端部承壓板相連。

2.2 車(chē)輛模型

本文根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[6]簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)五軸車(chē)輛模型，該模型包含由彈簧、軸質(zhì)量塊和阻尼設(shè)備連接的剛體，用以模擬車(chē)輛的垂直、俯仰和滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。切向行為的摩擦系數(shù)被指定為0.2。表1 列出了車(chē)輛模型機(jī)械和幾何的詳細(xì)參數(shù)，包括尺寸、軸載荷、懸架剛度和阻尼。通過(guò)在邊界條件中選擇均勻速度來(lái)模擬車(chē)輛速度。

表1 車(chē)輛模型參數(shù)

2.3 荷載工況

本文主要對(duì)移動(dòng)車(chē)輛作用下的新型單箱砼- 多鋼箱混合梁橋的動(dòng)力性能進(jìn)行研究分析，其中車(chē)輛行駛速度、車(chē)輛不同車(chē)道行駛偏載情況及車(chē)輛軸重等均會(huì)對(duì)橋梁的動(dòng)力性能產(chǎn)生影響，其中車(chē)道位置與鋼箱對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 車(chē)道布置圖

3 動(dòng)力特性分析

3.1 沖擊系數(shù)

橋梁設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素是移動(dòng)車(chē)輛的沖擊效應(yīng)，一般表述為動(dòng)態(tài)放大。在本研究中，沖擊系數(shù)定義為μ=(Rd-Rs)/Rs，其中Rs和Rd分別表示移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下橋梁上部結(jié)構(gòu)的最大靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)撓度常被用作評(píng)估沖擊系數(shù)的代表性響應(yīng)之一。

3.2 不同影響因素下的沖擊系數(shù)分析

3.2.1 車(chē)道及車(chē)速對(duì)沖擊系數(shù)的影響

圖3 分別為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛以不同速度行駛于左、中、右車(chē)道時(shí)以各分離式鋼箱控制點(diǎn)的撓度為動(dòng)力效應(yīng)值計(jì)算得到的沖擊系數(shù)變化曲線。結(jié)果表明，在該新型混合梁橋結(jié)構(gòu)中各分離式鋼箱的沖擊系數(shù)與行駛速度并不是完全的正相關(guān)，隨著車(chē)輛行駛速度的增加，各分離式鋼箱沖擊系數(shù)呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)；車(chē)輛作用于不同車(chē)道時(shí)，各分離式鋼箱系數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，位移沖擊系數(shù)及應(yīng)變沖擊系數(shù)均在速度達(dá)到50km/h 后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨后在速度達(dá)70km/h 后沖擊系數(shù)出現(xiàn)大幅增加，隨后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 不同速度鋼箱梁位移沖擊系數(shù)

3.2.2 軸重對(duì)沖擊系數(shù)的影響

圖4 分別為不同軸重車(chē)輛以40km/h 的速度行駛于中車(chē)道時(shí)以各分離式鋼箱控制點(diǎn)的撓度、縱向應(yīng)變?yōu)閯?dòng)力效應(yīng)值計(jì)算得到的沖擊系數(shù)變化曲線。

圖4 不同軸重鋼箱梁位移沖擊系數(shù)

根據(jù)不同軸重情況的沖擊系數(shù)變化曲線圖，可以分析得出以下結(jié)論：

（1）各分離式鋼箱梁的沖擊系數(shù)隨著車(chē)輛軸重的增加而逐漸減小，但其在車(chē)輛荷載達(dá)到48t 時(shí)，沖擊系數(shù)減小，隨著車(chē)輛荷載的繼續(xù)增大，沖擊系數(shù)趨于穩(wěn)定。

（2）其中A 點(diǎn)和B 點(diǎn)所在的鋼箱沖擊系數(shù)數(shù)值及變化趨勢(shì)均比較一致，其中當(dāng)車(chē)輛在中車(chē)道行駛時(shí)，車(chē)輛荷載主要作用位置也是邊鋼箱和中鋼箱，說(shuō)明邊鋼箱與中鋼箱整體協(xié)同受力性能較好。

4 結(jié)論

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果分析了新型單箱砼- 多箱鋼混合梁橋結(jié)構(gòu)中分離式鋼箱在不同車(chē)道、不同車(chē)速及不同軸重的加載情況下的撓度應(yīng)變情況及動(dòng)力性能，結(jié)論如下：

4.1 隨著車(chē)速的增加，鋼箱梁的動(dòng)力響應(yīng)值出現(xiàn)不同的變化，但各分離式鋼箱的動(dòng)力響應(yīng)值變化情況基本一致，說(shuō)明其整體的橫向協(xié)同受力性能良好；隨著車(chē)道變化，車(chē)輛移動(dòng)荷載的偏載情況對(duì)于中鋼箱的動(dòng)力響應(yīng)值影響不大，說(shuō)明分離式鋼箱在偏載情況下的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。

4.2 在不同軸重移動(dòng)車(chē)輛荷載作用下，各鋼箱的動(dòng)力響應(yīng)值變化趨勢(shì)一致，主要變化的是其幅值，說(shuō)明其承載能力較強(qiáng)，且對(duì)于不同軸重車(chē)輛的動(dòng)力性能表現(xiàn)比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)性能良好。

4.3 各分離式鋼箱的沖擊系數(shù)與行駛速度并不是完全的正相關(guān)，隨著車(chē)輛行駛速度的增加，各分離式鋼箱沖擊系數(shù)呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)。

4.4 各分離式鋼箱梁的沖擊系數(shù)隨著車(chē)輛軸重的增加而逐漸減小，各分離式鋼箱梁的沖擊系數(shù)隨著車(chē)輛軸重的增加而逐漸減小，但其在車(chē)輛荷載達(dá)到48t 時(shí)，沖擊系數(shù)增大。