下承式钢管混凝土拱桥冲击系数数值研究

穆永亮，王 光，殷 星

(1.德清同创建设发展有限公司，浙江 湖州 313200；2.浙江科欣工程设计咨询有限公司，浙江 杭州 310000； 3.浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310000)

城市桥梁为人们出行带来了便利，对加快交通运输有非常重要的作用。与此同时，车辆荷载在城市桥梁上行驶所引发的振动问题不容忽视。钢管混凝土拱桥因其承载能力强、施工方便等诸多优点在我国应用广泛[1]。下承式钢管混凝土的吊杆相对较长，活载比例相对较大，动力效应显著。移动车辆荷载作用下，钢管混凝土拱桥将产生车桥耦合振动，桥面不平顺会明显加剧振动水平，已有研究表明，桥面不平顺是车桥耦合振动的最主要影响因素[2]。本文通过ABAQUS软件建立75 m标准跨径[3]下承式钢管混凝土拱桥模型，分析了国家标准A～D级不平顺等级路面输入下，不同轴重、车速和车辆行进路线对钢管混凝土系杆拱桥冲击系数的影响。

1 模型建立

1.1 桥梁模型

桥梁模型见图1。全桥跨径75 m，宽12 m。有限元模型中，吊杆用T3D2杆单元离散，拱肋、风撑、系梁、中横梁、横梁和行车道板采用B31梁单元离散，在结构部件连接处，均采用绑定、共用节点的方法，主要截面和材料参数见表1～表3。

表1 桥梁构件广义截面参数

表2 桥梁构件常规截面参数

表3 材料参数取值

1.2 车桥耦合单元

所选车辆采用三轴装载车，车轮横向间距为1.95 m，前轴与中轴间距为3.5 m，中轴与后轴间距为1.4 m。前轴重5 t，中轴和后轴重10 t，其中车轮重95 kg。前轴悬挂刚度为53 000 N/m，前轴悬挂阻尼为12 000 N·s/m，中、后轴悬挂刚度为75 000 N/m，中、后轴悬挂阻尼为30 000 N·s/m。基于Yang和Wu[4]推导的车桥耦合基本单元理论，在本次模拟过程中，将车辆考虑为多刚体模型，桥梁主要采用E-B梁单元模拟，并假定不发生跳车现象，车轮和桥面始终保持紧密接触。

1.3 边界条件

有限元模型中，对桥梁四个角节点(拱脚处)分别施加支座约束。四个支座均可做自由转动，均不可做竖向平动。此外，左上角节点可做横桥向平动，左下角节点约束三向平动自由度，右上角节点可做横桥向与顺桥向平动，右下角节点可做顺桥向平动。

1.4 网格划分

2 桥面不平顺等级

根据国家标准GB 7031—86车辆振动输入路面平度表示方法[5],桥面不平顺功率密度函数可用式(1)表示：

Gq(n)=Gq(n0)(n/n0)-W，n≥0

(1)

其中，n为空间频率；n0=0.1 m-1为参考空间频率；W为频率指数，数值可取2；Gq(n0)为路面平整度系数，取值见表4；Gq(n)为位移功率谱密度。

表4 不同路面等级各参数取值

3 冲击系数

冲击系数可以反映车致桥梁振动的剧烈程度，可以定义为式(2)：

μ=(Ydmax/Yjmax)-1

(2)

其中,Ydmax为结构最大动力相应位移值；Yjmax为最大静位移。

4 数值模拟结果计算分析

4.1 车辆轴重

设置轴重分别为1 t,5 t,10 t和15 t，车辆沿桥梁中线行驶，速度为50 km/h，将冲击系数绘制于图2。由图2可知，给定桥面不平顺下，桥梁冲击系数随轴重增大而减小，轴重越轻，路面等级的恶化将导致冲击系数剧烈增加。这是因为随车辆轴重的增加，车辆引起的静挠度较动挠度增幅更大。

4.2 车辆速度

设置轴重为5 t，车辆沿桥梁中线行驶，速度分别为10 km/h,30 km/h,50 km/h和70 km/h，将冲击系数绘制于图3。由图3可知，当路面等级较好(A，B级路面)时, 冲击系数随车速增加先减小后增大，车辆高速行驶的冲击系数明显大于低速行驶时；当路面等级较差(C，D级路面)时,冲击系数随车速增加呈下降趋势，车辆低速行驶时的冲击系数较大；车数为30 km/h时，冲击系数最小。道路等级越差，冲击系数越大。

4.3 车辆行进路线

设置轴重为5 t，车辆分别偏离梁中线0 m,3 m,6 m，速度为50 km/h，将冲击系数绘制于图4。由图4可知，随着车辆偏离桥梁中线距离增大(离系梁越近)，冲击系数显著增大。道路等级越差，冲击系数越大。

5 结论

1)钢管混凝土拱桥系梁的冲击系数随路面不平顺等级的增加而增加。2)钢管混凝土拱桥系梁的冲击系数随车辆轴重的增加而增加；随车辆路线偏离中心线距离增加而增加；不同等级的路面，冲击系数随车速增加有不同的变化趋势，过桥时车速宜控制在30 km/h左右。3)车辆过桥时，应尽量靠近桥梁中线行驶，避免因偏离桥梁中线过大而给行车和桥梁带来安全隐患。4)本文得到的结果仅仅考虑了数值模型的结果，并未与现实中的桥梁实测工况进行对比验证，因此为了得到更精确的结果，仍需进一步的研究。