雙幅聯(lián)塔斜拉橋移動荷載過橋影響分析

陳德偉 丁祥文 于祥敏

（同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092）

0 引言

雖然國內(nèi)起步較晚，但是仍然不缺乏車輛過橋研究的資料和數(shù)據(jù)。國內(nèi)車輛模型的發(fā)展也是非常迅速，相關(guān)學(xué)者也做了很多相關(guān)研究，如車輛模型的突破，橋梁模型的突破，車輛與橋面之間接觸的模擬等。

施穎等[1]提出把車輛和復(fù)雜橋梁是作為兩個單獨的子體系，采用不同的方法去計算這兩個子體系，如廣義虛功原理和有限元法。該方法中的車輛模型有梁豎向自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度，能夠很好地模擬復(fù)雜橋梁（如曲線連續(xù)梁橋）的動力響應(yīng)。王凡等[2]認為列車過橋時，橋梁結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生豎向和橫向的振動和變形，那么列車在橋梁上行走時肯定會受到橋梁變形的影響。建立的車輛模型分為車體、構(gòu)架和輪對四個部分，共有 6個自由度，同時考慮橋面不平順的影響。建立的車輛較為詳細，但是模型的計算量太大。柴小鵬等[3]通過采用車輛振動子系統(tǒng)來模擬車輛，著重研究車輛的振動，故而摒棄了常用的1/4模型、1/2模型，而是采用了更為詳細的車輛模型。同時引入了路面的不平整度。主要研究了車輛的振動，而弱化了橋梁結(jié)構(gòu)的模擬，且車輛與橋梁之間的耦合作用很難模擬準(zhǔn)確。朱定國等[4]認為主要目的是研究橋梁的動力響應(yīng)，可以簡化車輛模型，采用古典車輛模型即可，而如果要研究車輛的動力響應(yīng)時，則需要采用更為詳細的車輛模型，需要根據(jù)自己的研究內(nèi)容合理選擇車輛模型與橋梁模型。陶夢麗等[5]研究了大跨度混凝土斜拉橋的動力特性，其中包括分析了移動荷載過橋時斜拉橋的動力響應(yīng)分析。在該研究中僅采用勻速單車過橋的斜拉橋動力效應(yīng)，并沒有涉及到研究車群荷載過橋的動力響應(yīng)，荷載模擬略有失真。

以埃及一座主跨為300m的雙幅聯(lián)體塔混合梁斜拉橋為例，探討粘滯阻尼器對雙幅聯(lián)體塔的車輛過橋的減震作用，旨在發(fā)現(xiàn)粘滯阻尼器對正常運營下斜拉橋的動力影響。

1 工程概況

某大跨度斜拉橋為雙幅七跨連續(xù)混合梁斜拉橋，邊跨為單箱五室鋼筋混凝土梁，中跨為雙工字鋼組合梁，跨徑布置為（3×40+300+3×40）m=540m，如圖 1所示。其中，兩側(cè)邊跨混凝土梁長128m×2=256m，組合梁長284m，鋼-混結(jié)合面設(shè)在主跨，距主塔中心線8m處。為降低工程造價和減小承臺尺寸，每個主塔有3個塔肢（2個外塔肢、1個中塔肢），雙幅橋共用中塔肢，塔高88.5m。邊跨鋼筋混凝土主梁高度為2.95m，寬度為31.8m～43.3m。中跨組合梁采用雙鋼主梁，中間布置4道小縱梁，橋面寬度為31.8m。鋼主梁高度為2.65m，混凝土板厚度為0.26m。全橋共有16×10=160根鋼絞線斜拉索，分別由根數(shù)為48～111根鋼絞線組成，索的長度為58m～158m。該工程場地地震的基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g。

圖1 斜拉橋總體布置(單位：m)

2 有限元模型

利用通用有限元軟件ANSYS建立該實際工程的簡化模型，梁單元采用Beam4單元模擬，斜拉索采用Link10單元模擬，斜拉索的初始張拉力通過初應(yīng)變進行設(shè)置，粘滯阻尼器采用 Combin37單元模擬[6]，建立三維空間脊骨梁有限元模型。同時考慮斜拉橋的非線性效應(yīng)，包括梁柱效應(yīng)和斜拉索垂度效應(yīng)。

3 單車過橋工況對比分析

單車過橋工況是研究其振動特性的基礎(chǔ)，研究此工況具有很高的理論價值[7]。單車過橋的計算模型如圖 3所示。由于左右兩幅橋共用同一個中塔肢，故而，左幅單車過橋也會對右幅橋產(chǎn)生影響，有必要同時分析左右兩幅橋的動力結(jié)果。單幅單車過橋工況主跨跨中位移時程計算結(jié)果如圖3.10所示。從中可以得到如下結(jié)論：

1）圖4（1）和（3）反映了無阻尼器時單車過斜拉橋結(jié)構(gòu)左右幅橋的縱向位移變化規(guī)律時程，左右幅主跨跨中縱向位移的變化規(guī)律相似；當(dāng)車輛從左幅橋頭向左幅橋尾移動時，主跨跨中先向橋頭移動，再向橋尾移動，車輛在橋上的時間間隔內(nèi)，主跨跨中位移基本上呈周期性運動；當(dāng)時程曲線開始出現(xiàn)周期性振動時，便是車輛下橋的時刻；同時通過對比圖 4（1）和（3），可以發(fā)現(xiàn)無阻尼器時左右幅主跨跨中運動周期相似，均是先向橋頭移動再向橋尾移動，且車輛荷載所在的左幅橋跨中縱向位移幅值大于右幅，左幅最大縱向位移是右幅的2倍以上；

2）圖4（1）和（3）反映了有阻尼器時單車過斜拉橋結(jié)構(gòu)左右幅橋的縱向位移變化規(guī)律時程，左右幅主跨跨中縱向位移的變化規(guī)律相似；當(dāng)車輛從左幅橋頭向左幅橋尾移動時，主跨跨中先向橋頭移動，再向橋尾移動，車輛在橋上的時間間隔內(nèi)，主跨跨中位移基本上呈周期性運動；當(dāng)車輛下橋后，主跨跨中位移沒有出現(xiàn)明顯的周期性振動；同時通過對比圖4（1）和（3），可以發(fā)現(xiàn)無阻尼器時左右幅主跨跨中運動周期正好相反，左幅橋跨中縱向位移是先向橋頭移動再向橋尾移動，而右幅橋跨中縱向位移是先向橋尾移動，再向橋頭移動，且車輛荷載所在的左幅橋跨中縱向位移幅值大于右幅，左幅最大縱向位移是右幅的3倍以上；3）圖4（1）和（2）反映了左幅主跨跨中縱向位移有無阻尼器的區(qū)別：無阻尼器時，縱向位移隨著車速的增大而增大；有阻尼器時，縱向位移隨著車速的增大而減小；無阻尼器左幅最大縱向位移是有阻尼器左幅的5～10倍，且車速越高，消振作用越明顯，說明阻尼器可以抑制車輛荷載產(chǎn)生的強迫振動，且對高車速的消振作用更明顯；

4）圖4（3）和（4）反映了右幅主跨跨中縱向位移有無阻尼器的區(qū)別：無阻尼器時，縱向位移隨著車速的增大而增大；有阻尼器時，縱向位移隨著車速的增大而減小；無阻尼器右幅最大縱向位移是有阻尼器右幅的3～25倍，且車速越高，消振作用越明顯，同樣也反映了阻尼器對高車速的消振作用更為明顯；

5）從上述4個對圖4中的縱向位移時程規(guī)律的描述，可知阻尼器裝置對主跨跨中振動規(guī)律影響不大，但是能夠有效抑制車輛荷載強迫振動所產(chǎn)生的縱向位移運動，且受車速的影響較大。根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計規(guī)范》第3.3條規(guī)定，一級公路設(shè)計車速最小為60km/h，即16.7m/s。由上述的計算，阻尼器設(shè)置能夠顯著減小單車過橋產(chǎn)生的縱向位移運動。

圖4 主梁縱向位移振動規(guī)律

4 結(jié)論

通過對雙幅聯(lián)體塔斜拉橋粘滯阻尼器兩種布置方案下不同阻尼器參數(shù)的減震效果研究，得出以下結(jié)論：

1）粘滯阻尼器能夠有效抑制主梁的縱向振動，使其在車輛下橋后不會做明顯的周期性振動，從而利于控制拉索的應(yīng)力變化幅度；

2）車速對縱向振動的影響較大，車速越大，振動的幅度越大。但是通過計算表明，粘滯阻尼器對高速移動荷載產(chǎn)生的縱向振動抑制較弱；

3）由于采用聯(lián)塔結(jié)構(gòu)，斜拉橋結(jié)構(gòu)的左幅過橋?qū)τ曳灿休^大的影響，但是采用阻尼器時雖然能夠抑制結(jié)構(gòu)的縱向振動，但是對速度的變化較為敏感，建議實際工程減少聯(lián)塔結(jié)構(gòu)的使用。