机车荷载对桥梁系统的影响分析

杨命军

中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300350

随着城市化进程的加快，我国桥梁建设如火如荼，由此引发的问题也很多。为保证桥梁安全，从现场试验到理论探索，学者们纷纷对桥梁系统展开了研究，得出了相应的规律及结论[1-4]。

现有研究桥梁体系的方法可分为4类：数值分析法、离散模型法、解析法、试验法。其中数值分析法更能直观反映桥梁系统的受力状态[5-7]。霍元坤[8]采用Ansys软件模拟冻土区桥梁桩基的振动响应，分析了机车动载对桥梁系统位移及应力的影响，并评价了机车动载对冻土区桥梁基础稳定性的影响。尽管现阶段关于桥梁系统的研究很多，但关于桥梁系统的动力响应研究尚有欠缺[9-12]。机车荷载对桥板、盖梁、桥墩及桩基的影响不同。本文以河南某大桥为研究对象，利用数值分析法对桥梁系统进行分析，并得出机车动载对桥梁系统的影响。

1 工程概况

开兰特大桥位于开封至兰考段内，桥址范围内地势较平坦，所经之处大部分为房屋、沟渠、乡间道路、田地和鱼塘。区间横跨西干渠、连霍高速公路金明大道、黄汴河等多条道路、河流。

本文对开兰大桥跨越河流工况进行简化，将大桥模型简化成桥面-桥墩-盖梁-桩系统。开兰特大桥连续梁下部为钻孔灌注桩基础、圆端实体桥墩，上部为连续箱梁，最大跨单侧由18个节段组成，其位置关系如图1所示。

图1 桥梁位置（单位：m）

2 机车荷载的确定

机车荷载的确定大多采用经验分析法和试验法。其中，经验分析法是在各国机车动载的基础上进行线性回代，从而总结出经验公式。本文利用Matlab软件模拟机车分别以速度V＝150、220、300 km/h行驶时的机车荷载，其时程曲线如图2所示。

图2 竖向机车动载的时程曲线

3 数值模拟

3.1 模型参数界定

模拟桩基时需要考虑弹性材料和塑性材料的接触问题。分析之前，需进行以下假定：桩材料视为弹性，不考虑混凝土自身材料特性，按均质、各向同性材料进行分析；土层按摩尔-库仑模型进行考虑，忽略其各向异性，将其视为均质、各向同性材料进行分析；模型计算时忽略温度变化的影响。

在3个假定的基础上进行建模分析，模型如图3所示。桥梁系统如图4所示。

图3 既有工况三维模型

图4 桥梁系统三维模型

模型建立后，借助Midas GTS的印刻功能，将指定的曲线或顶点投影到指定的面上后，基于投影的形状在面内生成线或点。当在面上划分网格时，这些印刻的线和点都会体现出来。

此外，Midas软件具有桩端及桩单元，能够准确地模拟实际中的桩端承载力和桩侧摩擦力。根据地勘单位提供的勘察报告，可以得知桥梁桩基周围的土层参数。

3.2 特征值求解

动力分析前须添加弹性边界，Midas计算软件提供用以消除振动波在模型边界处反射作用的方法，即生成弹簧单元的方法。弹簧用于定义特征值分析的岩土边界条件，通过岩土属性定义的弹性模量计算水平和竖直方向的地基反力系数，再通过软件进行特征值计算。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 加速度衰减

通过输入地表加速度添加荷载，将计算步分为100步，时长为3 s。分3种工况进行模拟分析，当机车速度V为150 km/h时，其桥梁系统的振动加速度如图5（a）所示；当机车速度V为220 km/h时，其桥梁系统的振动加速度如图5（b）所示；当机车速度V为300 km/h时，其桥梁系统的振动加速度如图5（c）所示（均取第51计算步为研究对象，此时机车行驶至桥中跨位置）。

图5 桥梁系统振动加速度

由图5可以发现，机车速度和桥梁系统的振动加速度成正比。当机车速度为300 km/h时，桥面振动加速度值最大，为18.3 m/s2。

进一步分析机车动载在桥梁系统中的衰减规律，统计每种速度下各个构件的振动加速度最值，从而进行研究分析。振动加速度衰减统计情况如图6所示。

图6 振动加速度衰减示意

由图6可知，3种车速下，桥梁系统的振动加速度从上至下呈现衰减趋势。从结构体系来看，振动响应从桥板传到盖梁时衰减最大，其中机车速度为220 km/h时衰减高达70%。因此，在进行桩基防振时，此环节尤其重要。从加速值来看，当机车速度为300 km/h时，衰减比其他2种车速较平缓。

3.3.2 竖向位移规律

当机车通过时，机车对桥梁系统不仅有动力作用，也有重力作用；桥梁系统会相应出现位移响应。利用Midas计算软件得到3种车速下的竖向位移云图，如图7所示。

图7 桥梁系统竖向位移

从位移云图可知，桥板的竖向位移和机车速度成正比，且位移最值都发生在跨中位置。当车速为300 km/h时，沉降最大，为135 mm。

建模时桥板的材料设为弹性，云图竖向位移为瞬时位移。对比图7中的3个位移云图可知，机车速度越小，对应竖向位移最值范围越大，这和实际相符，从而验证了模型的合理性。

3.3.3 黏滞阻尼器的位置和参数

目前为止，黏滞阻尼器在我国的应用十分广泛，如江阴大桥、东海大桥等均采用了黏滞阻尼器，其可显著降低桥梁的振动响应。黏滞阻尼器的参数对被动控制体系的性能影响很大。根据经验，将阻尼器设在桥梁的边墩，其参数如表1所示。

表1 阻尼器参数

为提高该桥的抗震性能，建议在墩与梁连接处均设置阻尼器，从而使桥梁体系的振动响应显著降低。

4 结语

研究机车动载对桥梁系统的作用时，借助三维有限元软件，能够直观地求解出桥梁系统中各个构件的动力响应及位移响应情况，得出桥梁系统的各结构的振动特性及沉降大小，从而对大跨桥梁系统的稳定性作出评价。

本文以河南开兰特大桥为研究对象，分析了机车动载对桥梁系统的影响，主要结论如下：

1）机车速度和桥梁系统的振动加速度成正比。当机车速度增大时，桥梁系统的振动加速度也相应增加。当机车速度为300 km/h时，桥面振动加速度值最大，为18.3 m/s2。振动响应从上至下逐渐减弱，其中桥板和盖梁之间的衰减最大。桥梁设计时可将桥板和盖梁分别计算，能在保证结构安全的同时，更大限度地节约成本。

2）桥板的竖向位移和机车速度成正比，且位移最值都发生在跨中位置。当车速为300 km/h时，沉降值最大，为135 mm。因此，设计时应加大跨中位置的配筋，施工时加强跨中位置的沉降监测。

3）实际施工时，应将桩基振捣密实，避免形成空洞，使振动效应放大；此外，机车振动对桥梁系统的稳定性影响很大，为了避免因振动过大产生的危害，施工时可在桥板和盖梁之间采取减振措施，从振源入手保证桥梁系统的安全性。