車(chē)輛二維靜力動(dòng)力荷載分析

徐雯

摘要：本文以某條二級(jí)公路為例，使用ABAQUS對(duì)該條二級(jí)公路做了相關(guān)的二維靜力分析荷載取值和二維動(dòng)力分析荷載取值，并利用相關(guān)子程序?qū)?chē)輛荷載進(jìn)行分析，對(duì)該條二級(jí)公路的通車(chē)條件給出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵字：車(chē)輛荷載；動(dòng)力分析；荷載效應(yīng)

引言

隨著今年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，車(chē)輛運(yùn)輸量的快速增長(zhǎng)，交通車(chē)型組成的變化以及主流車(chē)型的快速發(fā)展，國(guó)家相關(guān)交通運(yùn)輸法律法規(guī)的引導(dǎo)，都對(duì)公路橋梁車(chē)輛荷載產(chǎn)生了很大影響，尤其是層出不窮的超載現(xiàn)象對(duì)公路的安全性產(chǎn)生了巨大的影響，分析車(chē)輛荷載對(duì)維護(hù)公路交通安全有重要意義[1]。

一 汽車(chē)荷載與車(chē)道荷載

汽車(chē)荷載分為公路-Ⅰ級(jí)和公路-Ⅱ級(jí)兩個(gè)等級(jí)。汽車(chē)荷載由車(chē)道荷載和車(chē)輛荷載組成。而車(chē)道荷載則由均布荷載和集中荷載組成。在考慮荷載效應(yīng)時(shí)車(chē)道荷載與車(chē)輛荷載的作用不得疊加。依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003），公路-Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk按以下規(guī)定選?。簶蚝?jì)算跨徑小于或等于5m時(shí)，Pk=180kN。而車(chē)輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)下表1：

二 二維靜力分析荷載取值

在二維計(jì)算中，荷載取為車(chē)道荷載。將路面上的荷載可看作為均布荷載，依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2003），公路等級(jí)定為二級(jí)公路。二級(jí)公路車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用公路-Ⅱ荷載。公路-Ⅱ荷載中，車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk，為公路-Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載的0.75倍。將公路-Ⅱ級(jí)車(chē)道荷載集中荷載Pk均分布到8m寬的壩頂路面，疊加車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk，得到壩頂均布車(chē)道荷載24.7 kN/m。公路-Ⅰ級(jí)車(chē)道荷載：

qk=10.5kN/m

Pk=180kN

公路-Ⅱ級(jí)車(chē)道荷載的均布荷載：

P=（qk + Pk /8）×0.75=（10.5+180/8）×0.75=24.7kN

因此，在靜力計(jì)算結(jié)果中，通車(chē)情況下的采用車(chē)道荷載進(jìn)行計(jì)算，均布車(chē)道荷載為24.7kN。

三 二維動(dòng)力分析荷載取值

二維靜力和動(dòng)力分析，荷載均采用車(chē)道荷載進(jìn)行計(jì)算。但動(dòng)力分析表征車(chē)輛是運(yùn)動(dòng)的，區(qū)別于靜力分析假設(shè)車(chē)輛為靜止的。因此，動(dòng)力分析車(chē)輛荷載與靜力分析車(chē)輛荷載有一定的區(qū)別。但動(dòng)力計(jì)算的車(chē)道荷載與靜力計(jì)算同樣取值24.7kN。

參考《ABAQUS有限元軟件在道路工程中的運(yùn)用》，模擬標(biāo)準(zhǔn)軸載駛近和駛離的過(guò)程，將靜力荷載改為半正弦動(dòng)荷載：

，0 ≤ t ≤ T

時(shí)間T的根據(jù)車(chē)輛經(jīng)過(guò)某個(gè)斷面的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)確定。據(jù)《道路交通常用數(shù)據(jù)手冊(cè)》，轎車(chē)平均長(zhǎng)度2.5m，經(jīng)過(guò)某個(gè)斷面的時(shí)間與車(chē)速有關(guān)：

當(dāng)車(chē)速為10km/h時(shí)，即車(chē)速為2.778m/s，總時(shí)間長(zhǎng)度為：

T=2.5/2.778=0.9s

當(dāng)車(chē)速為20km/h時(shí)，即車(chē)速為5.556m/s，總時(shí)間長(zhǎng)度為：

T=2.5/5.556=0.45s

當(dāng)車(chē)速為30km/h時(shí)，即車(chē)速為8.333m/s，總時(shí)間長(zhǎng)度為：

T=2.5/8.333=0.3s

根據(jù)圣維南原理，可以將車(chē)輛荷載均勻分布在一定范圍的路面上。依據(jù)《道路交通常用數(shù)據(jù)手冊(cè)》，轎車(chē)車(chē)輛可取平均壓重長(zhǎng)度取2.5m，壓重寬度取1.80m，即車(chē)輛壓重面積為4.5m2。因此，當(dāng)車(chē)重分別為1.0t、2.0t、3.29t、4.5t、8.0t時(shí)，對(duì)應(yīng)的汽車(chē)對(duì)路面的壓力分別為2.22kPa、4.44kPa、7.31kPa、8.89kPa、17.19kPa。其中，3.29t為紅旗轎車(chē)CA7560的重量，在同等車(chē)型中，該車(chē)具有車(chē)重大、高度低的特點(diǎn)，具有一定的代表性，因此以該車(chē)為代表車(chē)型，研究車(chē)重、車(chē)速等對(duì)大壩動(dòng)力響應(yīng)的影響。

在ABAQUS計(jì)算中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)壩頂通車(chē)時(shí)移動(dòng)車(chē)輛的模擬，采用VDLOAD子程序進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算。在VDLOAD子程序中，假設(shè)路面均布荷載value，判斷汽車(chē)所在的位置，將該汽車(chē)所在位置的荷載value定義為車(chē)輛均布荷載值P，其余地方荷載value為0。

單車(chē)輛動(dòng)荷載計(jì)算模擬了一輛轎車(chē)在壩頂路面上行駛的過(guò)程，閑暇時(shí)段，路面車(chē)輛較少，以單車(chē)輛行駛作為極小動(dòng)荷載[2]。多車(chē)輛荷載模擬了多輛車(chē)在壩頂路面行駛過(guò)程，車(chē)輛行駛過(guò)程應(yīng)中保持車(chē)距，車(chē)距越長(zhǎng)，路面上的車(chē)輛越少，車(chē)距越短，路面上行駛的車(chē)輛越多，路面上車(chē)輛的多少意味著路面所承受的動(dòng)荷載的大小。

據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》第四十三條規(guī)定：同車(chē)道行駛的機(jī)動(dòng)車(chē)，后車(chē)應(yīng)當(dāng)與前車(chē)保持足以采取緊急制動(dòng)措施的安全距離。交管部門(mén)對(duì)“足以采取措施”的解釋是：“足以”是指同一車(chē)道的后車(chē)與前車(chē)必須保持足夠的行車(chē)間距。當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)時(shí)速為60公里時(shí)，行車(chē)間距應(yīng)為60米以上；時(shí)速為80公里時(shí)，行車(chē)間距為80米以上，以此類(lèi)推。如遇雨天、霧天或路面有水、結(jié)冰時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)行車(chē)間距。為了使計(jì)算結(jié)果偏安全，取車(chē)間距取值偏小，路面上能通過(guò)的車(chē)輛偏多，作為多車(chē)輛荷載計(jì)算時(shí)的極大動(dòng)荷載。10km/h以下取為10m，為了安全考慮和控制變量分析，20km/h、30km/h也取為10m間距，路面車(chē)輛為12輛。

四 結(jié)論

通過(guò)以上分析，得出如下結(jié)論：（1）二維靜力分析中，荷載取為均布靜力荷載，荷載值為24.7kN；（2）二維動(dòng)力分析中，荷載值取為正弦分布荷載，荷載幅值為24.7kN，正弦周期與車(chē)輛行駛速度相關(guān)，行駛速度越大，周期越短；建議控制通過(guò)該道路的車(chē)重。根據(jù)路面的抗拉強(qiáng)度要求得到過(guò)車(chē)的最大車(chē)重為4.13t，考慮1.2的安全裕度，限制車(chē)重為3.44t，并限制通車(chē)高度1.90m。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓大建，杜江.工程結(jié)構(gòu)作用極值分析方法研究[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008， 2：68-71.

[2] 廖公云，黃曉明. ABAQUS有限元軟件在道路工程中的運(yùn)用[M]. 東南大學(xué)出版社， 2008.