機(jī)車荷載對(duì)橋梁系統(tǒng)的影響分析

楊命軍

中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300350

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)橋梁建設(shè)如火如荼，由此引發(fā)的問(wèn)題也很多。為保證橋梁安全，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)到理論探索，學(xué)者們紛紛對(duì)橋梁系統(tǒng)展開了研究，得出了相應(yīng)的規(guī)律及結(jié)論[1-4]。

現(xiàn)有研究橋梁體系的方法可分為4類：數(shù)值分析法、離散模型法、解析法、試驗(yàn)法。其中數(shù)值分析法更能直觀反映橋梁系統(tǒng)的受力狀態(tài)[5-7]。霍元坤[8]采用Ansys軟件模擬凍土區(qū)橋梁樁基的振動(dòng)響應(yīng)，分析了機(jī)車動(dòng)載對(duì)橋梁系統(tǒng)位移及應(yīng)力的影響，并評(píng)價(jià)了機(jī)車動(dòng)載對(duì)凍土區(qū)橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。盡管現(xiàn)階段關(guān)于橋梁系統(tǒng)的研究很多，但關(guān)于橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)研究尚有欠缺[9-12]。機(jī)車荷載對(duì)橋板、蓋梁、橋墩及樁基的影響不同。本文以河南某大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用數(shù)值分析法對(duì)橋梁系統(tǒng)進(jìn)行分析，并得出機(jī)車動(dòng)載對(duì)橋梁系統(tǒng)的影響。

1 工程概況

開蘭特大橋位于開封至蘭考段內(nèi)，橋址范圍內(nèi)地勢(shì)較平坦，所經(jīng)之處大部分為房屋、溝渠、鄉(xiāng)間道路、田地和魚塘。區(qū)間橫跨西干渠、連霍高速公路金明大道、黃汴河等多條道路、河流。

本文對(duì)開蘭大橋跨越河流工況進(jìn)行簡(jiǎn)化，將大橋模型簡(jiǎn)化成橋面-橋墩-蓋梁-樁系統(tǒng)。開蘭特大橋連續(xù)梁下部為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、圓端實(shí)體橋墩，上部為連續(xù)箱梁，最大跨單側(cè)由18個(gè)節(jié)段組成，其位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 橋梁位置（單位：m）

2 機(jī)車荷載的確定

機(jī)車荷載的確定大多采用經(jīng)驗(yàn)分析法和試驗(yàn)法。其中，經(jīng)驗(yàn)分析法是在各國(guó)機(jī)車動(dòng)載的基礎(chǔ)上進(jìn)行線性回代，從而總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式。本文利用Matlab軟件模擬機(jī)車分別以速度V＝150、220、300 km/h行駛時(shí)的機(jī)車荷載，其時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 豎向機(jī)車動(dòng)載的時(shí)程曲線

3 數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)界定

模擬樁基時(shí)需要考慮彈性材料和塑性材料的接觸問(wèn)題。分析之前，需進(jìn)行以下假定：樁材料視為彈性，不考慮混凝土自身材料特性，按均質(zhì)、各向同性材料進(jìn)行分析；土層按摩爾-庫(kù)侖模型進(jìn)行考慮，忽略其各向異性，將其視為均質(zhì)、各向同性材料進(jìn)行分析；模型計(jì)算時(shí)忽略溫度變化的影響。

在3個(gè)假定的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析，模型如圖3所示。橋梁系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 既有工況三維模型

圖4 橋梁系統(tǒng)三維模型

模型建立后，借助Midas GTS的印刻功能，將指定的曲線或頂點(diǎn)投影到指定的面上后，基于投影的形狀在面內(nèi)生成線或點(diǎn)。當(dāng)在面上劃分網(wǎng)格時(shí)，這些印刻的線和點(diǎn)都會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。

此外，Midas軟件具有樁端及樁單元，能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際中的樁端承載力和樁側(cè)摩擦力。根據(jù)地勘單位提供的勘察報(bào)告，可以得知橋梁樁基周圍的土層參數(shù)。

3.2 特征值求解

動(dòng)力分析前須添加彈性邊界，Midas計(jì)算軟件提供用以消除振動(dòng)波在模型邊界處反射作用的方法，即生成彈簧單元的方法。彈簧用于定義特征值分析的巖土邊界條件，通過(guò)巖土屬性定義的彈性模量計(jì)算水平和豎直方向的地基反力系數(shù)，再通過(guò)軟件進(jìn)行特征值計(jì)算。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 加速度衰減

通過(guò)輸入地表加速度添加荷載，將計(jì)算步分為100步，時(shí)長(zhǎng)為3 s。分3種工況進(jìn)行模擬分析，當(dāng)機(jī)車速度V為150 km/h時(shí)，其橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度如圖5（a）所示；當(dāng)機(jī)車速度V為220 km/h時(shí)，其橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度如圖5（b）所示；當(dāng)機(jī)車速度V為300 km/h時(shí)，其橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度如圖5（c）所示（均取第51計(jì)算步為研究對(duì)象，此時(shí)機(jī)車行駛至橋中跨位置）。

圖5 橋梁系統(tǒng)振動(dòng)加速度

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)車速度和橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度成正比。當(dāng)機(jī)車速度為300 km/h時(shí)，橋面振動(dòng)加速度值最大，為18.3 m/s2。

進(jìn)一步分析機(jī)車動(dòng)載在橋梁系統(tǒng)中的衰減規(guī)律，統(tǒng)計(jì)每種速度下各個(gè)構(gòu)件的振動(dòng)加速度最值，從而進(jìn)行研究分析。振動(dòng)加速度衰減統(tǒng)計(jì)情況如圖6所示。

圖6 振動(dòng)加速度衰減示意

由圖6可知，3種車速下，橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度從上至下呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。從結(jié)構(gòu)體系來(lái)看，振動(dòng)響應(yīng)從橋板傳到蓋梁時(shí)衰減最大，其中機(jī)車速度為220 km/h時(shí)衰減高達(dá)70%。因此，在進(jìn)行樁基防振時(shí)，此環(huán)節(jié)尤其重要。從加速值來(lái)看，當(dāng)機(jī)車速度為300 km/h時(shí)，衰減比其他2種車速較平緩。

3.3.2 豎向位移規(guī)律

當(dāng)機(jī)車通過(guò)時(shí)，機(jī)車對(duì)橋梁系統(tǒng)不僅有動(dòng)力作用，也有重力作用；橋梁系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)位移響應(yīng)。利用Midas計(jì)算軟件得到3種車速下的豎向位移云圖，如圖7所示。

圖7 橋梁系統(tǒng)豎向位移

從位移云圖可知，橋板的豎向位移和機(jī)車速度成正比，且位移最值都發(fā)生在跨中位置。當(dāng)車速為300 km/h時(shí)，沉降最大，為135 mm。

建模時(shí)橋板的材料設(shè)為彈性，云圖豎向位移為瞬時(shí)位移。對(duì)比圖7中的3個(gè)位移云圖可知，機(jī)車速度越小，對(duì)應(yīng)豎向位移最值范圍越大，這和實(shí)際相符，從而驗(yàn)證了模型的合理性。

3.3.3 黏滯阻尼器的位置和參數(shù)

目前為止，黏滯阻尼器在我國(guó)的應(yīng)用十分廣泛，如江陰大橋、東海大橋等均采用了黏滯阻尼器，其可顯著降低橋梁的振動(dòng)響應(yīng)。黏滯阻尼器的參數(shù)對(duì)被動(dòng)控制體系的性能影響很大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將阻尼器設(shè)在橋梁的邊墩，其參數(shù)如表1所示。

表1 阻尼器參數(shù)

為提高該橋的抗震性能，建議在墩與梁連接處均設(shè)置阻尼器，從而使橋梁體系的振動(dòng)響應(yīng)顯著降低。

4 結(jié)語(yǔ)

研究機(jī)車動(dòng)載對(duì)橋梁系統(tǒng)的作用時(shí)，借助三維有限元軟件，能夠直觀地求解出橋梁系統(tǒng)中各個(gè)構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)及位移響應(yīng)情況，得出橋梁系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及沉降大小，從而對(duì)大跨橋梁系統(tǒng)的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

本文以河南開蘭特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了機(jī)車動(dòng)載對(duì)橋梁系統(tǒng)的影響，主要結(jié)論如下：

1）機(jī)車速度和橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度成正比。當(dāng)機(jī)車速度增大時(shí)，橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)加速度也相應(yīng)增加。當(dāng)機(jī)車速度為300 km/h時(shí)，橋面振動(dòng)加速度值最大，為18.3 m/s2。振動(dòng)響應(yīng)從上至下逐漸減弱，其中橋板和蓋梁之間的衰減最大。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)可將橋板和蓋梁分別計(jì)算，能在保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，更大限度地節(jié)約成本。

2）橋板的豎向位移和機(jī)車速度成正比，且位移最值都發(fā)生在跨中位置。當(dāng)車速為300 km/h時(shí)，沉降值最大，為135 mm。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大跨中位置的配筋，施工時(shí)加強(qiáng)跨中位置的沉降監(jiān)測(cè)。

3）實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)將樁基振搗密實(shí)，避免形成空洞，使振動(dòng)效應(yīng)放大；此外，機(jī)車振動(dòng)對(duì)橋梁系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，為了避免因振動(dòng)過(guò)大產(chǎn)生的危害，施工時(shí)可在橋板和蓋梁之間采取減振措施，從振源入手保證橋梁系統(tǒng)的安全性。