移動(dòng)車(chē)輛作用對(duì)公路連續(xù)梁橋地震反應(yīng)特性的影響

黃新藝　卓衛(wèi)東　魏祥湘　孫穎　沈鉑坦

摘要：隨著汽車(chē)保有量的增加，地震發(fā)生時(shí)車(chē)輛在橋上存在車(chē)輛作用的概率大大增加。為探討移動(dòng)車(chē)輛對(duì)公路連續(xù)梁橋地震反應(yīng)特性的影響，以3×40 m的連續(xù)T梁橋和汽車(chē)

超20級(jí)車(chē)隊(duì)為研究對(duì)象，根據(jù)車(chē)輪與橋面接觸點(diǎn)的作用力和位移協(xié)調(diào)條件，首先給出了移動(dòng)車(chē)輛作用下連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的分析方法，然后考慮車(chē)輛本身動(dòng)力特性的影響，采用多自由度的車(chē)輛模型組合成車(chē)隊(duì)荷載模型，并借助ANSYS的APDL參數(shù)化語(yǔ)言編制了相應(yīng)的分析程序，利用該程序分析了中低強(qiáng)度三向地震動(dòng)作用下移動(dòng)車(chē)輛作用對(duì)連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的影響參數(shù)。分析結(jié)果表明：典型三向地震動(dòng)作用下，移動(dòng)車(chē)輛對(duì)不同地震波作用下的連續(xù)梁橋地震反應(yīng)有明顯的影響，其影響程度與車(chē)速、輪胎剛度以及橋梁墩高直接相關(guān)。隨著橋面上橫向加載車(chē)道數(shù)的增加，順橋向的墩底彎矩及支座位移逐漸減小，而橫橋向的墩底彎矩及支座位移則逐漸增大，但響應(yīng)的變化率隨車(chē)道數(shù)增加而逐漸減小。車(chē)輛對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響隨著車(chē)速的變化和車(chē)身重量的變化而改變，但路面不平度的改變對(duì)移動(dòng)車(chē)輛作用下橋梁地震反應(yīng)影響甚微。部分研究成果與前人的研究結(jié)論相一致，但有些成果仍有待更進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：公路連續(xù)梁橋；移動(dòng)車(chē)輛；地震反應(yīng)；參數(shù)分析；三向地震動(dòng)

引言

隨著公路基礎(chǔ)設(shè)施和物流的迅速發(fā)展，中國(guó)的汽車(chē)的保有量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來(lái)越大，各干線(xiàn)公路和城市道路上的交通流日漸密集。橋梁作為各大干線(xiàn)公路和城市道路不可或缺的一部分，當(dāng)某一地區(qū)發(fā)生地震時(shí)，橋梁上面存在汽車(chē)荷載的概率大大增加，此外，中小地震情況下車(chē)輛同時(shí)在橋上運(yùn)行的概率也將大大增加。目前同時(shí)考慮移動(dòng)車(chē)輛-橋梁-地震作用（VBE）相互作用的研究主要集中在鐵路橋梁方面，研究過(guò)程中車(chē)輛采用等間距移動(dòng)力和3D的車(chē)輛模型，考慮單向（橫向）和雙向（橫向+豎向）地震動(dòng)輸入，研究者主要關(guān)注鐵路橋梁的橫向響應(yīng)、列車(chē)運(yùn)行的舒適度和安全性。

由于問(wèn)題的復(fù)雜性，截至目前，大多數(shù)國(guó)家的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的地震組合均未考慮汽車(chē)荷載的影響，中國(guó)最新的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）中的作用地震組合也尚未考慮汽車(chē)荷載的影響。相關(guān)文獻(xiàn)中只有AASHTO標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)加州橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范考慮了部分車(chē)輛自重的靜力效應(yīng)對(duì)橋梁地震反應(yīng)的影響。然而，實(shí)際的車(chē)輛是一個(gè)復(fù)雜的彈簧-質(zhì)量-阻尼體系（SMD），雖然在相關(guān)規(guī)范中地震作用計(jì)算考慮部分汽車(chē)荷載重量的影響，卻忽視了車(chē)輛的慣性和車(chē)輛的動(dòng)力特性對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[11]研究指出了移動(dòng)荷載和豎向地震共同作用下，當(dāng)車(chē)一橋重量比較大時(shí)，移動(dòng)荷載對(duì)豎向地震作用響應(yīng)的影響越明顯。Kim等考慮中等地震作用下，車(chē)輛分別采用移動(dòng)力和SMD模擬，結(jié)果表明考慮車(chē)輛的動(dòng)力特性影響可降低橋梁的地震響應(yīng)。Sen等的研究結(jié)果表明路面不平度對(duì)VBE相互作用系統(tǒng)的影響較小。Liu等研究了大跨度懸索橋在移動(dòng)荷載和豎向地面運(yùn)動(dòng)作用下的響應(yīng)，移動(dòng)荷載-橋梁-地震相互作用將會(huì)顯著增加主梁尤其是端支承附近位置處的響應(yīng)。Sanford采用1994年Northridge地震的Sylmar記錄作為地震動(dòng)輸入（縱向+橫向），通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法，研究了一座3跨曲線(xiàn)組合梁橋在靜止車(chē)輛作用下橋梁的地震響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明地震動(dòng)強(qiáng)度較低時(shí)車(chē)輛作為SMD體系的作用降低了橋梁的地震響應(yīng)，但隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，車(chē)輛的存在反而對(duì)橋梁的地震響應(yīng)產(chǎn)生不利影響。文獻(xiàn)[16]研究了靜止車(chē)輛作用下，車(chē)輛的存在對(duì)橋梁的動(dòng)力特性和橋梁地震響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：考慮車(chē)輛的動(dòng)力特性時(shí)，車(chē)輛作為SMD體系對(duì)橋梁的動(dòng)力特性和橋梁的地震響應(yīng)均有一定的影響。

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對(duì)公路橋梁的車(chē)輛-橋梁-地震相互作用系統(tǒng)的研究采用的地震動(dòng)輸人方式普遍為單向或者雙向，很少考慮三向地震動(dòng)輸人，也很少采用多自由度車(chē)輛模型組合模擬車(chē)隊(duì)作用對(duì)體系地震反應(yīng)的影響。由于影響因素多和問(wèn)題本身的復(fù)雜性，車(chē)輛作為SMD體系對(duì)橋梁的地震響應(yīng)是有利還是不利，仍缺乏足夠的研究成果支撐和統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)該問(wèn)題的認(rèn)識(shí)尚需要開(kāi)展更進(jìn)一步的研究。本文首先考慮中小地震情況下，偏理想化地假定橋上的車(chē)輛仍能夠保持勻速正常行駛，以公路連續(xù)T梁橋和汽車(chē)一超20級(jí)車(chē)隊(duì)為研究對(duì)象，考慮車(chē)輛的動(dòng)力特性并采用多自由度的車(chē)輛模型組合成車(chē)隊(duì)模型，采用精細(xì)化的橋梁有限元分析模型，利用線(xiàn)性時(shí)程分析方法，討論了三向地震動(dòng)作用下車(chē)輛的路面不平度、行駛速度、橫向加載車(chē)道數(shù)、輪胎剛度、車(chē)輛軸重、橋梁墩高、不同地震動(dòng)記錄和地震動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)移動(dòng)車(chē)輛作用時(shí)連續(xù)梁橋地震反應(yīng)特性的影響，研究結(jié)果可為橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。