移動車輛作用對公路連續梁橋地震反應特性的影響

黃新藝　卓衛東　魏祥湘　孫穎　沈鉑坦

摘要：隨著汽車保有量的增加，地震發生時車輛在橋上存在車輛作用的概率大大增加。為探討移動車輛對公路連續梁橋地震反應特性的影響，以3×40 m的連續T梁橋和汽車

超20級車隊為研究對象，根據車輪與橋面接觸點的作用力和位移協調條件，首先給出了移動車輛作用下連續梁橋地震反應的分析方法，然后考慮車輛本身動力特性的影響，采用多自由度的車輛模型組合成車隊荷載模型，并借助ANSYS的APDL參數化語言編制了相應的分析程序，利用該程序分析了中低強度三向地震動作用下移動車輛作用對連續梁橋地震反應的影響參數。分析結果表明：典型三向地震動作用下，移動車輛對不同地震波作用下的連續梁橋地震反應有明顯的影響，其影響程度與車速、輪胎剛度以及橋梁墩高直接相關。隨著橋面上橫向加載車道數的增加，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，但響應的變化率隨車道數增加而逐漸減小。車輛對橋梁地震響應的影響隨著車速的變化和車身重量的變化而改變，但路面不平度的改變對移動車輛作用下橋梁地震反應影響甚微。部分研究成果與前人的研究結論相一致，但有些成果仍有待更進一步的試驗驗證。

關鍵詞：公路連續梁橋；移動車輛；地震反應；參數分析；三向地震動

引言

隨著公路基礎設施和物流的迅速發展，中國的汽車的保有量隨著經濟的發展越來越大，各干線公路和城市道路上的交通流日漸密集。橋梁作為各大干線公路和城市道路不可或缺的一部分，當某一地區發生地震時，橋梁上面存在汽車荷載的概率大大增加，此外，中小地震情況下車輛同時在橋上運行的概率也將大大增加。目前同時考慮移動車輛-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，研究過程中車輛采用等間距移動力和3D的車輛模型，考慮單向（橫向）和雙向（橫向+豎向）地震動輸入，研究者主要關注鐵路橋梁的橫向響應、列車運行的舒適度和安全性。

由于問題的復雜性，截至目前，大多數國家的公路橋梁設計規范的地震組合均未考慮汽車荷載的影響，中國最新的《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）中的作用地震組合也尚未考慮汽車荷載的影響。相關文獻中只有AASHTO標準和美國加州橋梁抗震設計規范考慮了部分車輛自重的靜力效應對橋梁地震反應的影響。然而，實際的車輛是一個復雜的彈簧-質量-阻尼體系（SMD），雖然在相關規范中地震作用計算考慮部分汽車荷載重量的影響，卻忽視了車輛的慣性和車輛的動力特性對橋梁地震響應的影響。文獻[11]研究指出了移動荷載和豎向地震共同作用下，當車一橋重量比較大時，移動荷載對豎向地震作用響應的影響越明顯。Kim等考慮中等地震作用下，車輛分別采用移動力和SMD模擬，結果表明考慮車輛的動力特性影響可降低橋梁的地震響應。Sen等的研究結果表明路面不平度對VBE相互作用系統的影響較小。Liu等研究了大跨度懸索橋在移動荷載和豎向地面運動作用下的響應，移動荷載-橋梁-地震相互作用將會顯著增加主梁尤其是端支承附近位置處的響應。Sanford采用1994年Northridge地震的Sylmar記錄作為地震動輸入（縱向+橫向），通過振動臺試驗方法，研究了一座3跨曲線組合梁橋在靜止車輛作用下橋梁的地震響應，試驗結果表明地震動強度較低時車輛作為SMD體系的作用降低了橋梁的地震響應，但隨著地震動強度的增大，車輛的存在反而對橋梁的地震響應產生不利影響。文獻[16]研究了靜止車輛作用下，車輛的存在對橋梁的動力特性和橋梁地震響應的影響，結果表明：考慮車輛的動力特性時，車輛作為SMD體系對橋梁的動力特性和橋梁的地震響應均有一定的影響。

文獻調研發現，針對公路橋梁的車輛-橋梁-地震相互作用系統的研究采用的地震動輸人方式普遍為單向或者雙向，很少考慮三向地震動輸人，也很少采用多自由度車輛模型組合模擬車隊作用對體系地震反應的影響。由于影響因素多和問題本身的復雜性，車輛作為SMD體系對橋梁的地震響應是有利還是不利，仍缺乏足夠的研究成果支撐和統一的認識，對該問題的認識尚需要開展更進一步的研究。本文首先考慮中小地震情況下，偏理想化地假定橋上的車輛仍能夠保持勻速正常行駛，以公路連續T梁橋和汽車一超20級車隊為研究對象，考慮車輛的動力特性并采用多自由度的車輛模型組合成車隊模型，采用精細化的橋梁有限元分析模型，利用線性時程分析方法，討論了三向地震動作用下車輛的路面不平度、行駛速度、橫向加載車道數、輪胎剛度、車輛軸重、橋梁墩高、不同地震動記錄和地震動強度等參數對移動車輛作用時連續梁橋地震反應特性的影響，研究結果可為橋梁結構的抗震設計提供一定的參考作用。