交通事故狀態(tài)下斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

張 路，王 濤，嚴(yán) 超，朱樂(lè)樂(lè)，喬可鑫

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

大跨度斜拉橋在其整個(gè)服役期內(nèi)，發(fā)生因人為或自然因素導(dǎo)致的極端事件是不可避免的，而市政斜拉橋運(yùn)營(yíng)階段車(chē)流密度大，極易發(fā)生交通事故、交通管制等極端事件。值得注意的是，極端事件下車(chē)流將發(fā)生一系列制動(dòng)動(dòng)作，對(duì)橋梁產(chǎn)生較大的縱向響應(yīng)，并可能帶來(lái)不可修復(fù)的損傷。目前針對(duì)大跨度斜拉橋正常運(yùn)營(yíng)階段下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析研究已較為深入，而對(duì)交通事故狀態(tài)下車(chē)流發(fā)生連續(xù)制動(dòng)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析少有研究，因此有必要開(kāi)展交通事故狀態(tài)下斜拉橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

隨著對(duì)車(chē)輛荷載研究的不斷深入細(xì)化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隨機(jī)車(chē)流模擬、車(chē)輛制動(dòng)模型等方面進(jìn)行了大量的研究。郭彤[1]等選用極值I型和2個(gè)正態(tài)分布函數(shù)的加權(quán)對(duì)統(tǒng)計(jì)得到的車(chē)輛分布特性進(jìn)行擬合，并模擬了一般狀態(tài)與密集狀態(tài)2種車(chē)流荷載；王濤[2-3]等建立了一種車(chē)流運(yùn)行仿真模型，編制了隨機(jī)車(chē)流的仿真模擬程序；趙建峰[4]提出了一種動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)與CCD線(xiàn)陣成像相結(jié)合的交通荷載采集系統(tǒng)，對(duì)交通量的時(shí)變特性和交通量的車(chē)道分布特性做了簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)荷載特性生成了疲勞荷載譜；袁陽(yáng)光[5]等利用多重正態(tài)分布對(duì)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的車(chē)質(zhì)量、軸質(zhì)量和軸距進(jìn)行了多峰擬合，利用多重指數(shù)分布對(duì)車(chē)頭時(shí)距進(jìn)行了多重?cái)M合；FRYBA[6-7]研究了梁在滾動(dòng)的質(zhì)量減速作用下的基本特性，進(jìn)行了車(chē)輛制動(dòng)的精準(zhǔn)態(tài)分析和施加在軌道與橋梁上的初始力分析；GUPTA 和TRAIL-NASH[8]以橋梁結(jié)構(gòu)坐標(biāo)與車(chē)輛行駛位置坐標(biāo)為依據(jù)提出了一種響應(yīng)方程，研究了不同路面粗糙度下與車(chē)輛制動(dòng)的三跨變截面橋梁模型的動(dòng)力行為；YANG[9]等提出了一種基于紐馬克有限元差分格式的能夠處理各種車(chē)橋耦合通用數(shù)值方法，可以分析車(chē)輛在橋面的正常行駛、車(chē)輛制動(dòng)、車(chē)輛跳車(chē)等行為；蒲軍平[10]等研究了車(chē)輛在橋面疾馳過(guò)程中突然制動(dòng)對(duì)橋梁產(chǎn)生的影響，對(duì)車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的摩擦力與制動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬；呂龍[11]等分析了列車(chē)制動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)縱向動(dòng)力響應(yīng)，根據(jù)獲取不同速度參數(shù)列車(chē)制動(dòng)力分析列車(chē)制動(dòng)過(guò)程中橋梁不同構(gòu)件的內(nèi)力位移響應(yīng)。目前，車(chē)輛制動(dòng)下大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)的縱向響應(yīng)研究主要集中在單車(chē)制動(dòng)，雙車(chē)制動(dòng)等單一車(chē)載工況，對(duì)于交通事故狀態(tài)下多車(chē)道、多車(chē)型的隨機(jī)車(chē)流連續(xù)制動(dòng)分析較少，且在進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析時(shí)未能考慮風(fēng)車(chē)荷載聯(lián)合作用。

鑒于此，有必要開(kāi)展交通事故狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。首先，基于已有風(fēng)車(chē)橋分析系統(tǒng)，建立不同車(chē)流密度的隨機(jī)車(chē)流模型，引入車(chē)流制動(dòng)反應(yīng)模型，建立交通事故狀態(tài)下的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)分析框架；其次，以沿海地區(qū)一市政斜拉橋?yàn)楸尘?，?duì)主梁進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬加載，并對(duì)車(chē)流制動(dòng)位置、車(chē)流密度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析；最后，分析不同交通事故工況下，隨機(jī)車(chē)流制動(dòng)的橋梁關(guān)鍵位置最不利結(jié)構(gòu)響應(yīng)區(qū)間。

1 引入制動(dòng)隨機(jī)車(chē)流的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)分析框架

為實(shí)現(xiàn)交通事故狀態(tài)下風(fēng)車(chē)斜拉橋結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)響應(yīng)分析，首先，建立橋梁正常運(yùn)營(yíng)階段下不同車(chē)流密度的隨機(jī)車(chē)流模型；其次，建立車(chē)流制動(dòng)反應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)交通事故狀態(tài)下制動(dòng)車(chē)流模擬，并給出3種交通事故下的隨機(jī)車(chē)流狀態(tài)；最后，基于已有的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)研究，引入制動(dòng)隨機(jī)車(chē)流，建立交通事故狀態(tài)下的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)分析框架。

1.1 隨機(jī)車(chē)流模型

橋梁正常運(yùn)營(yíng)階段行駛在橋梁上的車(chē)流具有很大的隨機(jī)性，依據(jù)已有研究[5]，隨機(jī)車(chē)流統(tǒng)計(jì)參數(shù)(如車(chē)型、車(chē)重、車(chē)頭時(shí)距等)服從一定的概率密度分布特征。車(chē)頭時(shí)距一般服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，車(chē)型車(chē)質(zhì)量服從均勻分布[12]，參考已有研究的多峰正態(tài)分布[13]。依據(jù)實(shí)測(cè)交通流數(shù)據(jù)[5]，構(gòu)建3種車(chē)流模型：密集車(chē)流、一般車(chē)流、稀疏車(chē)流，假定車(chē)流車(chē)速恒定，車(chē)速分別為40、60、80 km/h，車(chē)頭時(shí)距分別服從ln(VD)～N(4.7,0.9)、ln(VN)～N(5.6,0.56)、ln(VN)～N(6.2,0.38)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

1.2 車(chē)流制動(dòng)反應(yīng)模型

為實(shí)現(xiàn)交通事故狀態(tài)下制動(dòng)隨機(jī)車(chē)流的模擬，建立車(chē)流制動(dòng)反應(yīng)模型，見(jiàn)圖2?；凇豆仿肪€(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D20-2017》[14]中停車(chē)視距的規(guī)定，駕駛員在受到前方障礙物、車(chē)輛制動(dòng)信號(hào)的刺激下，當(dāng)車(chē)間距達(dá)到駕駛員心理反應(yīng)閾值時(shí)，車(chē)輛將經(jīng)歷2個(gè)階段：駕駛員對(duì)刺激信號(hào)做出反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)車(chē)輛按原速度繼續(xù)行駛；反應(yīng)時(shí)間過(guò)后，駕駛員開(kāi)始制動(dòng)，車(chē)輛逐步減速至停止。因此，車(chē)輛的車(chē)頭時(shí)距l(xiāng)由3部分組成：反應(yīng)距離R、安全距離S、制動(dòng)距離B。其中，車(chē)輛車(chē)頭時(shí)距l(xiāng)按照《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D20-2017》選??；反應(yīng)距離同駕駛員反應(yīng)時(shí)間密切相關(guān)，依據(jù)美國(guó)AASHTO規(guī)范選取反應(yīng)時(shí)間為2.5 s；為保證駕駛員不與前方障礙物、車(chē)輛相撞，取安全距離為5～10 m；制動(dòng)距離和制動(dòng)加速度按式(1)計(jì)算。

圖1 車(chē)頭時(shí)距概率密度擬合曲線(xiàn)

圖2 車(chē)流制動(dòng)反應(yīng)模型

車(chē)輛制動(dòng)距離為車(chē)輛開(kāi)始制動(dòng)到車(chē)輛剎停的距離，即初速度V0減速到零的距離，根據(jù)車(chē)輛制動(dòng)反應(yīng)模型易知制動(dòng)車(chē)的制動(dòng)距離和制動(dòng)加速度公式：

(1)

式中：n表示車(chē)列中開(kāi)始制動(dòng)的第n輛車(chē)；Rn表示反應(yīng)距離；Bn表示制動(dòng)距離；Sn表示安全距離；ln表示車(chē)頭時(shí)距；vn表示初始速度；an表示制動(dòng)加速度。

為方便后續(xù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析工況的建立，將交通事故下的橋梁上隨機(jī)車(chē)流狀態(tài)分為3類(lèi)：①單車(chē)道車(chē)輛發(fā)生拋錨、追尾事故，造成單向單車(chē)道堵塞，跟馳車(chē)輛依次制動(dòng)，如圖3(a)所示；②橋梁?jiǎn)蝹?cè)行駛方向發(fā)生車(chē)輛側(cè)翻、多車(chē)相撞等嚴(yán)重事故，造成單向多車(chē)道行車(chē)堵塞，多車(chē)道車(chē)輛依次制動(dòng)，如圖3(b)所示；③橋梁一側(cè)行駛方向?qū)嵭薪煌ǚ忾]，另一側(cè)發(fā)生車(chē)輛側(cè)翻、多車(chē)相撞等嚴(yán)重事故，造成單向多車(chē)道行車(chē)堵塞，多車(chē)道車(chē)輛依次制動(dòng)。

(a) 單向單車(chē)道堵塞 (b) 單向多車(chē)道堵塞

1.3 引入制動(dòng)隨機(jī)車(chē)流的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)框架

大跨徑斜拉橋通常受到風(fēng)、車(chē)、斜拉橋3個(gè)基本元素間的交互耦合作用，已有的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合分析系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：風(fēng)橋耦合、車(chē)橋耦合與風(fēng)車(chē)耦合。風(fēng)橋耦合中，風(fēng)荷載可模擬為3部分：平均風(fēng)引起的靜風(fēng)力、脈動(dòng)風(fēng)引起的抖振力和氣動(dòng)耦合產(chǎn)生的自激力[15]，其中，靜風(fēng)力通常由節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的三分力系數(shù)確定，抖振力根據(jù)SCANLAN[16]準(zhǔn)定常氣動(dòng)公式的求解獲取，自激力采用LIN[17-18]等提出的脈沖響應(yīng)函數(shù)計(jì)算；車(chē)橋耦合中，基于車(chē)輛與橋梁間的幾何和力學(xué)耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)車(chē)橋接觸點(diǎn)的位移和接觸力的協(xié)調(diào)；風(fēng)車(chē)耦合中，考慮車(chē)輛外形的氣動(dòng)力參數(shù)和融合側(cè)滑自由度的車(chē)輛動(dòng)力分析模型，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的駕駛偏離響應(yīng)模擬，最終建立風(fēng)-車(chē)-橋系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

式中：M、C和K分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，u表示位移向量；v、b表示車(chē)輛和橋梁；Kb表示橋梁剛度矩陣，且Kb=Ke+Kg即彈性剛度Ke和幾何剛度Kg；Fbg、Fbst、Fbbu、Fbse和Fbv分別是橋梁自重、側(cè)向靜風(fēng)力、抖振力、自激力、車(chē)輪與橋面接觸力；Fvg、Fvst和Fvb分別表示車(chē)輪自重、車(chē)輪準(zhǔn)靜態(tài)風(fēng)作用力、車(chē)輪與橋面接觸力。為進(jìn)一步研究交通事故狀態(tài)下斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在已有風(fēng)車(chē)橋分析系統(tǒng)[15]基礎(chǔ)之上，考慮隨機(jī)車(chē)流的橫向位置、制動(dòng)位置和制動(dòng)力，建立了考慮制動(dòng)隨機(jī)車(chē)流風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)分析框架，見(jiàn)圖4。其中，車(chē)流橫向位置通過(guò)車(chē)道橫向偏心設(shè)置；制動(dòng)位置通過(guò)車(chē)輛車(chē)頭時(shí)距設(shè)置；制動(dòng)力則采用車(chē)輛制動(dòng)慣性力F=-ma模擬。

圖4 交通事故狀態(tài)下風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)分析框架

2 工程背景

為研究交通事故狀態(tài)下斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)，選取江蘇省沿海地區(qū)一座半漂浮體系的市政斜拉橋進(jìn)行計(jì)算分析，其主橋設(shè)計(jì)為(58+102+360+102+58)m，見(jiàn)圖5。設(shè)計(jì)為雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。主梁采用混凝土橋面板與鋼箱梁的疊合梁結(jié)構(gòu)，斜拉索采用平行鋼絲斜拉索。為實(shí)現(xiàn)斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析建立全橋有限元模型，見(jiàn)圖5。主梁、索塔、橋墩采用空間梁?jiǎn)卧狟eam4模擬，斜拉索采用空間桁架單元Link10模擬，采用剛臂單元模擬斜拉索與主梁、索塔的連接，橋面系采用質(zhì)量單元Mass21模擬。采用約束豎向、橫橋向線(xiàn)位移自由度的耦合連接模擬塔梁交接處的豎向支座，索塔和橋墩底部采用固結(jié)約束模擬。

考慮到交通事故狀態(tài)下，沿海地區(qū)橋梁常受到車(chē)輛荷載和風(fēng)荷載聯(lián)合作用，為獲得更加真實(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對(duì)主梁進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)模擬，采用諧波合成法選取主梁結(jié)構(gòu)(200個(gè)節(jié)點(diǎn))進(jìn)行風(fēng)荷載模擬加載，見(jiàn)圖5。全橋風(fēng)場(chǎng)模擬主要參數(shù)如下：跨度L=680 m，地面粗糙高度z0=0.01 m，地表粗糙度系數(shù)取為0.10，截止頻率為ωψ=10π(rad/s)，頻率等分?jǐn)?shù)N=2 048，模擬采樣時(shí)距dt=0.1 s。橫橋向和縱橋向風(fēng)速譜采用Simiu譜模擬，豎向風(fēng)速譜采用Panofsky譜模擬，跨中模擬點(diǎn)100的風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，點(diǎn)100的模擬譜與目標(biāo)譜的功率譜對(duì)比見(jiàn)圖7。

圖5 市政斜拉橋(單位：m)

圖6 模擬風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)

圖7 目標(biāo)譜與模擬譜功率譜

圖8 塔頂縱向位移時(shí)程曲線(xiàn)

3 參數(shù)敏感性分析

考慮到運(yùn)營(yíng)階段市政橋梁不同時(shí)段處在不同車(chē)流密度狀態(tài)，且車(chē)流制動(dòng)位置具有隨機(jī)性，為獲得交通事故狀態(tài)下斜拉橋結(jié)構(gòu)的最不利響應(yīng)，對(duì)車(chē)流制動(dòng)位置、車(chē)流密度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，以獲得隨機(jī)車(chē)流的最不利制動(dòng)位置和最不利車(chē)流密度。

3.1 制動(dòng)位置影響分析

為分析車(chē)輛制動(dòng)位置對(duì)橋梁關(guān)鍵位置處結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，選取6輛重車(chē)(50 t)并排同向行駛，車(chē)速為80 km/h，分析車(chē)輛在不制動(dòng)工況和在橋梁跨徑的1/8、2/8、4/8、6/8、7/8處制動(dòng)工況下的關(guān)鍵位置(塔頂、梁端、跨中、塔根、最長(zhǎng)拉索等)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。限于篇幅僅給出塔頂縱向位移時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖8；梁端縱向位移時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9；塔根彎矩時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖10；最長(zhǎng)拉索索力時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖11。

圖10 塔根彎矩時(shí)程曲線(xiàn)

圖11 最長(zhǎng)索索力時(shí)程曲線(xiàn)

由圖8、圖9可知，車(chē)輛制動(dòng)對(duì)塔頂縱向位移時(shí)程的影響顯著大于梁端縱向位移時(shí)程。當(dāng)車(chē)輛在(1/8)L和(2/8)L處制動(dòng)時(shí)，塔頂縱向位移分別在5 mm和0 mm處波動(dòng)，最大值分別達(dá)到5.76 mm和9.79 mm，遠(yuǎn)小于不制動(dòng)和其他位置制動(dòng)工況；不制動(dòng)、(6/8)L和(7/8)L處制動(dòng)工況下，車(chē)輛制動(dòng)前塔頂縱向位移時(shí)程變化不顯著，車(chē)輛制動(dòng)后，時(shí)程曲線(xiàn)產(chǎn)生微小變化；當(dāng)車(chē)輛在(4/8)L處制動(dòng)時(shí)，塔頂縱向位移時(shí)程變化顯著，車(chē)輛制動(dòng)后縱向位移值顯著增大并在12.5 mm處波動(dòng)；梁端縱向位移時(shí)程在不同制動(dòng)位置工況下，變化不顯著，最大位移值為(3.43±0.1)mm；不同制動(dòng)位置對(duì)跨中縱向位移影響不顯著，最大值均在(3.33±0.15)mm。

由圖10、圖11可知，車(chē)輛制動(dòng)對(duì)最長(zhǎng)索索力時(shí)程的影響顯著大于塔根彎矩時(shí)程。車(chē)輛在不同位置處制動(dòng)時(shí)，塔根彎矩時(shí)程曲線(xiàn)小幅變化，最大值為(10.74±1.7)×103kN·m；當(dāng)車(chē)輛在(1/8)L和(2/8)L處制動(dòng)時(shí)，最長(zhǎng)索索力無(wú)顯著變化，最大值為5 197 kN；不制動(dòng)、(6/8)L和(7/8)L處制動(dòng)工況下最長(zhǎng)索索力無(wú)顯著變化，車(chē)輛行駛到跨中位置處時(shí)，最長(zhǎng)索索力達(dá)到最大值5 424 kN，隨后減小至5 197 kN左右；當(dāng)車(chē)輛在(4/8)L處制動(dòng)時(shí)，最長(zhǎng)索索力先達(dá)到最大值5 424 kN,隨后減小到5 250 kN左右；車(chē)輛在(4/8)L處制動(dòng)時(shí)跨中彎矩值達(dá)到最大，最大值為14.45×103 kN·m。

綜上所述，車(chē)輛在中跨跨中制動(dòng)時(shí)對(duì)橋梁關(guān)鍵位置處結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響顯著，故該市政橋梁最不利制動(dòng)位置為(4/8)L處。

3.2 車(chē)流密度影響分析

為分析車(chē)流密度對(duì)橋梁關(guān)鍵位置處結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，選取密集車(chē)流、一般車(chē)流、稀疏車(chē)流，車(chē)速分別為40、60、80 km/h，選取不同密度車(chē)流上同一超車(chē)道上的同一(50 t)重車(chē)，分析重車(chē)在中跨跨中制動(dòng)時(shí)的橋梁關(guān)鍵位置(塔頂、梁端、跨中、塔根、最長(zhǎng)拉索等)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

由圖12、圖13可知，稀疏車(chē)流對(duì)塔頂縱向位移時(shí)程和梁端縱向位移時(shí)程的影響顯著大于一般車(chē)流和密集車(chē)流。密集車(chē)流和稀疏車(chē)流下塔頂縱向位移最大值分別為45.08和43.87 mm，其中稀疏車(chē)流產(chǎn)生的縱向位移時(shí)程振幅顯著大于密集車(chē)流波動(dòng)；密集車(chē)流和稀疏車(chē)流下梁端縱向位移最大值分別為22.46和30.05 mm，稀疏車(chē)流產(chǎn)生的縱向位移時(shí)程振幅顯著大于密集車(chē)流和一般車(chē)流；同樣，稀疏車(chē)流下跨中縱向位移達(dá)到最大值30.37 mm。

圖12 塔頂縱向位移時(shí)程曲線(xiàn)

圖13 梁端縱向位移時(shí)程曲線(xiàn)

由圖14、圖15可知，密集車(chē)流對(duì)塔根彎矩時(shí)程和最長(zhǎng)索索力時(shí)程的影響顯著大于一般車(chē)流和稀疏車(chē)流。一般車(chē)流和稀疏車(chē)流下塔根彎矩變化不顯著，最大值分別為17.97×103kN·m和16.39×103kN·m；密集車(chē)流車(chē)輛制動(dòng)之前，塔根彎矩同一般車(chē)流和稀疏車(chē)流基本一致，車(chē)輛制動(dòng)后，塔根彎矩顯著增大最大值達(dá)到34.57 ×103kN·m；一般車(chē)流和稀疏車(chē)流下，最長(zhǎng)索索力最大值分別為5 397和5 424 kN，而密集車(chē)流顯著大于一般車(chē)流和稀疏車(chē)流，最大值達(dá)到5 520 kN；跨中彎矩在稀疏車(chē)流下達(dá)到最大值16.46×103kN·m，密集車(chē)流和一般車(chē)流最大值分別為12.33×103和12.15×103kN·m。

圖14 塔根彎矩時(shí)程曲線(xiàn)

圖15 最長(zhǎng)索索力時(shí)程曲線(xiàn)

綜上所述，因稀疏車(chē)流車(chē)速較高對(duì)縱向位移影響顯著，密集車(chē)流車(chē)輛數(shù)目較多，豎向荷載較大，對(duì)內(nèi)力影響顯著，故該市政橋最不利車(chē)流密度為密集車(chē)流和稀疏車(chē)流，應(yīng)進(jìn)一步分析不同交通事故狀態(tài)下橋梁關(guān)鍵位置最不利結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

4 交通事故狀態(tài)下斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)

為進(jìn)一步分析交通事故狀態(tài)下斜拉橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，基于參數(shù)敏感性分析結(jié)果，選取密集車(chē)流和稀疏車(chē)流，且車(chē)流中車(chē)輛在(4/8)L處制動(dòng)，并依據(jù)1.2節(jié)中建立的3種交通事故狀態(tài)下的制動(dòng)隨機(jī)車(chē)流模型，計(jì)算不制動(dòng)工況CS1、單車(chē)道制動(dòng)工況CS2、三車(chē)道制動(dòng)工況CS3、單側(cè)封閉下三車(chē)道制動(dòng)工況CS4下的斜拉橋關(guān)鍵位置(塔頂、梁端、跨中、塔根、最長(zhǎng)拉索等)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。限于篇幅，僅給出塔頂和梁端縱向位移響應(yīng)區(qū)間，見(jiàn)圖16；塔根彎矩和最長(zhǎng)索索力值區(qū)間，見(jiàn)圖17。

圖16 塔頂和梁端縱向位移

圖17 塔根彎矩和最長(zhǎng)索索力

由圖16和圖17可知，CS3和CS4工況下，密集車(chē)流對(duì)梁端縱向位移和塔根彎矩影響顯著大于稀疏車(chē)流，而對(duì)塔頂縱向位移和最長(zhǎng)索索力影響不顯著；CS1和CS2工況下，稀疏車(chē)流對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置縱向位移影響顯著大于密集車(chē)流，而對(duì)塔根彎矩和最長(zhǎng)索索力影響小于密集車(chē)流；隨機(jī)車(chē)流對(duì)塔頂縱向位移影響大于梁端縱向位移，且密集車(chē)流CS3下塔頂縱向位移最大值為80.71 mm，梁端縱向位移最大值為-60.14 mm；稀疏車(chē)流CS1下對(duì)塔頂縱向位移影響顯著大于密集車(chē)流，其中稀疏車(chē)流縱向位移區(qū)間為[-28.88 mm,34.85 mm]，密集車(chē)流為[-2.99 mm,33.45 mm]；值得注意的是，塔根彎矩值在密集車(chē)流CS4下達(dá)到最大值73.32×103kN·m，而稀疏車(chē)流下最大值僅為32.09×103kN·m；CS3下最長(zhǎng)索索力在密集車(chē)流達(dá)到最大值5 806 kN，稀疏車(chē)流下略小于密集車(chē)流，為5 783 kN。

綜上所述，多車(chē)道事故狀態(tài)下密集車(chē)流制動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響較稀疏車(chē)流顯著，正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和單車(chē)道事故狀態(tài)下稀疏車(chē)流制動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)縱向位移影響較密集車(chē)流顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)交通事故狀態(tài)下斜拉橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，首先，建立了不同車(chē)流密度的隨機(jī)車(chē)流模型，并引入車(chē)流制動(dòng)反應(yīng)模型和不同交通事故狀態(tài)，建立了交通事故狀態(tài)下的風(fēng)車(chē)斜拉橋耦合振動(dòng)分析框架；其次，以沿海地區(qū)一市政斜拉橋?yàn)楸尘?，進(jìn)行了主梁風(fēng)場(chǎng)模擬加載，并對(duì)車(chē)流制動(dòng)位置、車(chē)流密度進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析；最后，分析了不同交通事故工況下，隨機(jī)車(chē)流制動(dòng)的橋梁關(guān)鍵位置結(jié)構(gòu)響應(yīng)。主要結(jié)論如下：

a.車(chē)輛在中跨跨中制動(dòng)時(shí)對(duì)橋梁關(guān)鍵位置處結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響顯著，車(chē)輛制動(dòng)對(duì)塔頂縱向位移時(shí)程、最長(zhǎng)索索力時(shí)程的影響顯著大于梁端縱向位移時(shí)程、塔根彎矩時(shí)程，車(chē)輛在(4/8)L處制動(dòng)后縱向位移值顯著增大，并在12.5 mm處波動(dòng)，最長(zhǎng)索索力先達(dá)到最大值5 424 kN，隨后減小到5 250 kN左右。

b.稀疏車(chē)流對(duì)縱向位移時(shí)程的影響顯著大于一般車(chē)流和密集車(chē)流，而密集車(chē)流對(duì)彎矩時(shí)程和最長(zhǎng)索力時(shí)程的影響顯著大于一般車(chē)流和稀疏車(chē)流，稀疏車(chē)流下梁端縱向位移最大值為30.05 mm，稀疏車(chē)流下縱向位移振幅顯著大于密集車(chē)流和一般車(chē)流，而跨中彎矩在稀疏車(chē)流下達(dá)到最大值16.46 kN·m密集車(chē)流下最長(zhǎng)索索力最大值達(dá)到5 520 kN。

c.多車(chē)道事故狀態(tài)下密集車(chē)流制動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響較稀疏車(chē)流顯著，正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和單車(chē)道事故狀態(tài)下,稀疏車(chē)流制動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)縱向位移影響較密集車(chē)流顯著。