車輛速度對簡支變連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響分析

鄒寶剛　張　碩

(1.天津市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,天津　300384；　2.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津　300401)

0　引言

國內(nèi)外學(xué)者對沖擊系數(shù)的研究已取得了相當(dāng)豐富的成果，從計(jì)算方法、模型建立、各個影響因素等方面都做了比較系統(tǒng)的分析。沖擊系數(shù)表達(dá)方面，目前規(guī)范中只用了結(jié)構(gòu)基頻一個參數(shù)來定義。在車輛模型建立方面，大都是采用簡化的彈簧質(zhì)量車模型、兩軸車模型、三軸車模型等等[1-4]；車橋耦合分析方面，大多都采用理論推導(dǎo)的車橋耦合系統(tǒng)運(yùn)動方程，通過自編程序進(jìn)行車輛過橋的動力時程分析，計(jì)算過程較為復(fù)雜，得到的結(jié)果也有所差異[5,6]。

在本文中主要研究車橋耦合振動的一種仿真分析方法，并用于沖擊系數(shù)的影響因素分析。主要通過大型通用有限元軟件ANSYS建立橋梁模型，得到橋梁的動力特性；運(yùn)用新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件UM建立可視化的三維車輛模型。然后運(yùn)用ansys_um.exe接口程序?qū)蛄耗Ｐ蛯?dǎo)入到UM軟件中，進(jìn)而在UM軟件中進(jìn)行車橋耦合振動的不同工況分析。這一聯(lián)合仿真模擬可以達(dá)到較好的仿真效果。

1　車橋耦合動力分析模型建立

1.1　橋梁模型建立

本文從《公路橋梁結(jié)構(gòu)上部構(gòu)造系列通用設(shè)計(jì)圖》(2010年版)中選用具有代表性的箱梁截面，按連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)一座橋梁，圖1為橋梁跨中橫斷面圖，表1為橋梁的基本信息。

主梁類型結(jié)構(gòu)形式跨度/m基頻箱梁橋連續(xù)3×306.8413×355.0813×403.924

橋梁模型的建立采用有限元軟件ANSYS，材料的彈性模量為34.5 GPa，密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.2。選用實(shí)體單元Solid65進(jìn)行模擬，以獲取較高的精度，建模過程使用APDL語言編寫程序?qū)С鰳蛄旱念l率向量和模態(tài)振型矩陣，用于后續(xù)的車橋耦合振動分析。圖2為使用ANSYS建立的部分橋梁模型圖，其他橋梁模型圖不一一列出。

1.2　車輛模型建立

為了便于進(jìn)行橋梁沖擊系數(shù)的對比分析，車輛模型的參數(shù)為：Mvr=35 000 kg，KvL=KvR=2.475×104N/m，CvL=CvR=3 502 kN·s/m。運(yùn)用多體動力學(xué)軟件UM中參數(shù)化建模的方法建立車輛模型。建立的車輛模型如圖3所示。

1.3　車橋耦合振動模型

車橋耦合振動模型的建立采用UM軟件子系統(tǒng)建模技術(shù)，車輛模型建立好以后，可以將其轉(zhuǎn)化為一個子系統(tǒng)(Subsystem)，然后在當(dāng)前模型中再添加一個子系統(tǒng)，并命名為bridge，通過軟件的柔性體導(dǎo)入向?qū)?Wizard of flexible subsystems)將已經(jīng)轉(zhuǎn)換的橋梁模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行耦合振動分析。

利用聯(lián)合仿真模型進(jìn)行車輛和橋梁的耦合，建立模型如圖4所示。

2　車速對連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響

大量的研究證明車輛行駛速度對車橋耦合振動有一定的影響[7-10]，本節(jié)研究車速對連續(xù)梁橋沖擊系數(shù)的影響，考慮其他條件相同，橋面平整度選擇為一般等級(C)，三軸車速度為20 km/h～120 km/h，分別研究連續(xù)梁橋邊跨跨中和中跨跨中的沖擊系數(shù)變化規(guī)律。

2.1　不同車速下橋梁動力響應(yīng)

由于連續(xù)梁橋兩個邊跨的位移曲線剛好呈現(xiàn)對稱的形式，所以圖5只列出了3×30 m連續(xù)箱梁橋其中一個邊跨和中跨在不同車速下的位移時程曲線。

從圖5的位移時程曲線可以看出，由于車橋耦合作用的存在，車輛行駛過程中橋梁位移會出現(xiàn)不斷波動的狀態(tài)，在車輛駛離橋梁后，由于阻尼的存在，橋梁仍然出現(xiàn)小幅振動，直至位移為零。邊跨跨中達(dá)到最大動位移時刻和中跨跨中達(dá)到最大動位移時刻不同，且邊跨跨中最大動位移基本大于中跨跨中最大動位移；隨著車速的變化，兩者最大動位移有著明顯的變化，認(rèn)為車速對連續(xù)梁橋的動力響應(yīng)有影響。

2.2　沖擊系數(shù)計(jì)算

三軸車以不同速度通過橋梁時沖擊系數(shù)的數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行直觀的比較分析，將沖擊系數(shù)隨車速變化圖繪制如圖6所示。

從圖6a)中可以看出，隨著車速的增加，30 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，在車速達(dá)到80 km/h時，沖擊系數(shù)達(dá)到最小值；35 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的往復(fù)變化趨勢，在車速20 km/h時，沖擊系數(shù)為最大值；40 m連續(xù)梁橋邊跨跨中的沖擊系數(shù)也呈現(xiàn)先減小后增大的往復(fù)變化趨勢，在車速20 km/h時，沖擊系數(shù)達(dá)到最大值，車速從100 km/h到120 km/h變化過程中，沖擊系數(shù)減小較緩慢。分析三種不同變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，車速越低在橋上行駛時間越長，橋梁振動比較顯著，高頻波段得到了充分的發(fā)展，沖擊作用較明顯。

從圖6b)中可以看出，隨著車速的增加，30 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)與邊跨跨中變化一致；35 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，在車速達(dá)到80 km/h時，沖擊系數(shù)達(dá)到最大值；40 m連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小再增大變化趨勢，在車速達(dá)到120 km/h時，沖擊系數(shù)達(dá)到最大值。分析三種不同變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，由此得到的沖擊系數(shù)和規(guī)范中沖擊系數(shù)和跨徑呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相反，這是因?yàn)橐?guī)范中計(jì)算沖擊系數(shù)只考慮了基頻，沒有考慮由于車橋耦合產(chǎn)生的沖擊作用的影響導(dǎo)致的，進(jìn)一步說明沖擊系數(shù)不僅僅和橋梁基頻有關(guān)，和車速也有著很大的關(guān)系。

3　結(jié)語

本文主要針對公路橋梁車橋耦合振動的沖擊系數(shù)進(jìn)行了研究，研究中首次運(yùn)用了新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件UM和有限元軟件ANSYS的結(jié)合建立了車橋耦合振動模型，基于車橋耦合振動模型對連續(xù)梁橋進(jìn)行研究，最后分析了車輛速度對沖擊系數(shù)的影響得到了以下結(jié)論：

1)連續(xù)梁橋車速在20 km/h時比40 km/h～120 km/h時的沖擊系數(shù)大，達(dá)到80 km/h時比100 km/h～120 km/h的沖擊系數(shù)大，在中跨跨中車輛速度在40 km/h左右時比120 km/h左右時的沖擊系數(shù)大，體現(xiàn)了不同的車輛速度使沖擊系數(shù)不同。

2)連續(xù)梁橋的邊跨跨中沖擊系數(shù)基本都呈現(xiàn)先減后增再減的變化趨勢，而中跨跨中的沖擊系數(shù)則呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。

3)連續(xù)梁橋中跨跨中的沖擊系數(shù)大于邊跨跨中的沖擊系數(shù)，計(jì)算時以中跨跨中的沖擊系數(shù)為準(zhǔn)。

4)隨著橋梁跨徑的增加，沖擊系數(shù)逐漸增大，和規(guī)范中沖擊系數(shù)和跨徑呈負(fù)相關(guān)的結(jié)果相反，這是因?yàn)橐?guī)范中計(jì)算沖擊系數(shù)只考慮了基頻，沒有考慮由于車橋耦合產(chǎn)生的沖擊作用的影響導(dǎo)致的，進(jìn)一步說明沖擊系數(shù)不僅僅和橋梁基頻有關(guān)，和車速也有著很大的關(guān)系。

5)在此方法之上可以拓展到多因素對沖擊系數(shù)的影響。