機車荷載對橋梁系統的影響分析

楊命軍

中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300350

隨著城市化進程的加快，我國橋梁建設如火如荼，由此引發的問題也很多。為保證橋梁安全，從現場試驗到理論探索，學者們紛紛對橋梁系統展開了研究，得出了相應的規律及結論[1-4]。

現有研究橋梁體系的方法可分為4類：數值分析法、離散模型法、解析法、試驗法。其中數值分析法更能直觀反映橋梁系統的受力狀態[5-7]。霍元坤[8]采用Ansys軟件模擬凍土區橋梁樁基的振動響應，分析了機車動載對橋梁系統位移及應力的影響，并評價了機車動載對凍土區橋梁基礎穩定性的影響。盡管現階段關于橋梁系統的研究很多，但關于橋梁系統的動力響應研究尚有欠缺[9-12]。機車荷載對橋板、蓋梁、橋墩及樁基的影響不同。本文以河南某大橋為研究對象，利用數值分析法對橋梁系統進行分析，并得出機車動載對橋梁系統的影響。

1 工程概況

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

本文對開蘭大橋跨越河流工況進行簡化，將大橋模型簡化成橋面-橋墩-蓋梁-樁系統。開蘭特大橋連續梁下部為鉆孔灌注樁基礎、圓端實體橋墩，上部為連續箱梁，最大跨單側由18個節段組成，其位置關系如圖1所示。

圖1 橋梁位置（單位：m）

2 機車荷載的確定

機車荷載的確定大多采用經驗分析法和試驗法。其中，經驗分析法是在各國機車動載的基礎上進行線性回代，從而總結出經驗公式。本文利用Matlab軟件模擬機車分別以速度V＝150、220、300 km/h行駛時的機車荷載，其時程曲線如圖2所示。

圖2 豎向機車動載的時程曲線

3 數值模擬

3.1 模型參數界定

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

在3個假定的基礎上進行建模分析，模型如圖3所示。橋梁系統如圖4所示。

圖3 既有工況三維模型

圖4 橋梁系統三維模型

模型建立后，借助Midas GTS的印刻功能，將指定的曲線或頂點投影到指定的面上后，基于投影的形狀在面內生成線或點。當在面上劃分網格時，這些印刻的線和點都會體現出來。

此外，Midas軟件具有樁端及樁單元，能夠準確地模擬實際中的樁端承載力和樁側摩擦力。根據地勘單位提供的勘察報告，可以得知橋梁樁基周圍的土層參數。

3.2 特征值求解

動力分析前須添加彈性邊界，Midas計算軟件提供用以消除振動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，通過巖土屬性定義的彈性模量計算水平和豎直方向的地基反力系數，再通過軟件進行特征值計算。

3.3 計算結果及分析

3.3.1 加速度衰減

通過輸入地表加速度添加荷載，將計算步分為100步，時長為3 s。分3種工況進行模擬分析，當機車速度V為150 km/h時，其橋梁系統的振動加速度如圖5（a）所示；當機車速度V為220 km/h時，其橋梁系統的振動加速度如圖5（b）所示；當機車速度V為300 km/h時，其橋梁系統的振動加速度如圖5（c）所示（均取第51計算步為研究對象，此時機車行駛至橋中跨位置）。

圖5 橋梁系統振動加速度

由圖5可以發現，機車速度和橋梁系統的振動加速度成正比。當機車速度為300 km/h時，橋面振動加速度值最大，為18.3 m/s2。

進一步分析機車動載在橋梁系統中的衰減規律，統計每種速度下各個構件的振動加速度最值，從而進行研究分析。振動加速度衰減統計情況如圖6所示。

圖6 振動加速度衰減示意

由圖6可知，3種車速下，橋梁系統的振動加速度從上至下呈現衰減趨勢。從結構體系來看，振動響應從橋板傳到蓋梁時衰減最大，其中機車速度為220 km/h時衰減高達70%。因此，在進行樁基防振時，此環節尤其重要。從加速值來看，當機車速度為300 km/h時，衰減比其他2種車速較平緩。

3.3.2 豎向位移規律

當機車通過時，機車對橋梁系統不僅有動力作用，也有重力作用；橋梁系統會相應出現位移響應。利用Midas計算軟件得到3種車速下的豎向位移云圖，如圖7所示。

圖7 橋梁系統豎向位移

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

建模時橋板的材料設為彈性，云圖豎向位移為瞬時位移。對比圖7中的3個位移云圖可知，機車速度越小，對應豎向位移最值范圍越大，這和實際相符，從而驗證了模型的合理性。

3.3.3 黏滯阻尼器的位置和參數

目前為止，黏滯阻尼器在我國的應用十分廣泛，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響應。黏滯阻尼器的參數對被動控制體系的性能影響很大。根據經驗，將阻尼器設在橋梁的邊墩，其參數如表1所示。

表1 阻尼器參數

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

4 結語

研究機車動載對橋梁系統的作用時，借助三維有限元軟件，能夠直觀地求解出橋梁系統中各個構件的動力響應及位移響應情況，得出橋梁系統的各結構的振動特性及沉降大小，從而對大跨橋梁系統的穩定性作出評價。

本文以河南開蘭特大橋為研究對象，分析了機車動載對橋梁系統的影響，主要結論如下：

1）機車速度和橋梁系統的振動加速度成正比。當機車速度增大時，橋梁系統的振動加速度也相應增加。當機車速度為300 km/h時，橋面振動加速度值最大，為18.3 m/s2。振動響應從上至下逐漸減弱，其中橋板和蓋梁之間的衰減最大。橋梁設計時可將橋板和蓋梁分別計算，能在保證結構安全的同時，更大限度地節約成本。

2）橋板的豎向位移和機車速度成正比，且位移最值都發生在跨中位置。當車速為300 km/h時，沉降值最大，為135 mm。因此，設計時應加大跨中位置的配筋，施工時加強跨中位置的沉降監測。

3）實際施工時，應將樁基振搗密實，避免形成空洞，使振動效應放大；此外，機車振動對橋梁系統的穩定性影響很大，為了避免因振動過大產生的危害，施工時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的安全性。