重车作用下大跨度连续刚构桥动力响应分析

刘勇， 殷新锋

(1.湖北嘉鱼长江公路大桥有限公司， 湖北 武汉 430050；2.长沙理工大学， 湖南 长沙 410114)

近年来，重型车辆不断增多，加剧了桥梁的损伤。中国多数桥梁设计中未充分考虑移动车辆的动力效应，致使大部分桥梁处于超载运营状态。目前计算能力的加强，使研究人员能采用更真实的桥梁和车辆模型分析桥梁和移动车辆的动态特性。该文以某大跨度连续刚构桥为工程背景，建立简化的三轴重载货车模型和桥梁三维有限元模型，通过显示求解程序LS-DYNA内置的接触算法进行车-桥耦合振动仿真分析。

1 车桥耦合有限元模型

1.1 车辆模型

汽车参照对象为中国重型汽车集团有限公司生产的豪沃三轴载重自卸货车，其外形见图 1。结合全车整备质量及荷载试验时的加载重量，轴载取为35 t，其中前轴重7 t，中轴和后轴各重14 t。

图1 豪沃三轴载重自卸货车

使用壳单元、梁单元、实体单元及离散单元构建车辆模型，车身、车梁、轮盘的一部分使用实体单元，悬架部分使用梁单元、离散单元(包括阻尼单元和弹簧单元)，车头、轮胎、轮毂、轮盘的另一部分使用壳单元。图 2为车辆三维有限元模型。

图2 车辆三维有限元模型

轮胎、轮盘和轮毂组成车轮，其中轮胎使用橡胶材料，轮毂和轮盘采用线弹性钢材。使用AIRBAG关键字定义由轮胎、轮毂组成的封闭体，其中气压为0.6 MPa。

1.2 桥梁模型

某桥跨径为2×30 m+65 m+120 m+65 m+30 m=340 m，主跨为预应力砼变截面连续刚构。主墩采用双薄壁桥墩+钻孔灌注桩基础，主桥箱梁采用C55砼，主墩墩身采用C40砼。采用六节点或八节点的全积分实体单元模拟桥梁各部分，包括2个桥墩、主桥箱梁等。桥梁三维有限元模型见图3。

图3 桥梁三维有限元模型

2 静载试验结果分析

对该桥进行荷载试验，部分荷载布置见图4。基于荷载实测结果，得出静载作用下结构主跨跨中弹性变位曲线(见图5～7)。

图4 试验荷载平面布置示例(单位：m)

图5 第二跨1#边梁对称加载荷载-弹性变位曲线

图6 第二跨中梁对称加载荷载-弹性变位曲线

图7 第二跨2#边梁对称加载荷载-弹性变位曲线

由图5～7可知：实测挠度小于理论计算挠度，结构刚度满足设计及规范要求。

3 桥梁动力响应

设置7种车辆荷载工况，对主桥箱梁在截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处(即边跨跨中、3#墩顶、中跨跨中，见图8)的挠度与应力进行对比，分析桥梁的动态特征。

图8 动载分析截面示意图(单位：m)

7种动载工况如下：工况1为 1辆35 t重车行驶在桥梁纵向中轴线上；工况2为2辆35 t重车并排对称行驶在桥梁纵向中轴线两侧；工况3为3辆35 t重车呈品字形以桥梁纵向中轴线对称放置；工况4为4辆35 t重车以桥梁纵向中轴线对称放置；工况5为5辆35 t重车呈工字形以桥梁纵向中轴线对称放置；工况6为6辆35 t重车以桥梁纵向中轴线对称放置；工况7为6辆35 t重车、8辆1.5 t小汽车对称行驶在桥梁纵向中轴线两侧。各工况下车间沿桥梁横向、纵向间距分别为1.3、4 m，车辆均以30 m/s的速度从桥外驶入并通过桥梁。

各工况下边跨跨中挠度见图9，3#墩墩顶挠度见图 10，中跨跨中挠度见图 11。

图10 各工况下3#墩墩顶挠度时程曲线

图11 各工况下中跨跨中挠度时程曲线

各工况下边跨跨中主拉应力见图 12，3#墩墩顶主拉应力见图 13，中跨跨中主拉应力见图 14。

图12 各工况下边跨跨中主拉应力时程曲线

图13 各工况下3#墩墩顶主拉应力时程曲线

图14 各工况下中跨跨中主拉应力时程曲线

从图9～14可看出：1) 从工况1的1辆重车到工况6的6辆重车，随着车辆数的增加，峰值正竖向位移和峰值负竖向位移都增大，但并非线性增长；竖向应力或位移波动幅度也增大。2) 应力或位移的波峰随着车辆数的增加而逐渐右移并呈现滞后性，其与车辆布置特别是车辆沿桥梁纵向的间隔相关。随着车辆数的增加，整个车队的轴载重心沿桥梁纵向逐步后移，当轴载重心经过相应截面时，才会出现峰值位移，故峰值位移的波峰逐渐呈现滞后性。3) 工况7与工况6的重车数目相同，工况7多了8辆小汽车，然而工况7的峰值位移还小于工况6，且其挠度时程曲线的波峰形状宽而扁平，不像工况6的波峰形状窄而尖锐。小汽车轴载只有1.5 t，重车轴载达35 t，由于工况7重车之间穿插有小汽车，重车沿桥梁纵向的间隔较大，故其波峰形状宽而扁平，应力或位移也较小。说明重车扎堆行驶会引起较大的动力响应，可能引起桥梁结构损伤。而重车间隔较大，之间相隔有其他较轻车辆时，引起的动力响应较小而缓和，有利于行车舒适性和桥梁健康。

图9 各工况下边跨跨中挠度时程曲线

4 结论

(1) 车辆质量越大(小汽车相较重车引起的动力响应小得多)，车辆数量越多，桥梁跨中截面的动力响应增大。

(2) 随着车辆数量的增多，峰值位移或应力的波峰逐渐右移，并呈现滞后性。

(3) 随着车辆间距的增大，车辆对桥梁的动力响应减小。