大跨度懸索橋車-橋耦合振動建模及構(gòu)件受力分析*

劉勇，晏萬里，殷新鋒

(1.湖北嘉魚長江公路大橋有限公司，湖北 武漢 430056；2.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

為保證橋梁結(jié)構(gòu)后期運(yùn)營的安全，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮橋梁結(jié)構(gòu)在移動荷載作用下的動力響應(yīng)。目前對車橋耦合振動的研究已取得了很多成果，均為依據(jù)振動原理建立車輛振動方程，并耦合橋梁振動方程進(jìn)行單點荷載作用下數(shù)值分析，通常將車輛模型簡化為質(zhì)量-彈簧-阻尼多自由度振動模型，所建振動模型過于簡單。該文基于LS-DYNA程序建立精細(xì)的車-橋耦合模型，模擬輪胎與橋面的動態(tài)接觸關(guān)系，分析橋梁實際受力狀況。

1 車-橋耦合模型的建立

1.1 車輛模型的建立

參照五軸載重貨車建立車輛有限元模型，貨車的外形尺寸見圖1，車輪軸距和軸重分布見圖2。貨車軸1和軸2間距為3 m，軸2和軸3間距為1.4 m，軸3和軸4間距為7 m，軸4和軸5間距為1.4 m；車輪橫向間距為1.8 m，全車長15 m。全車總重為55 t，車輛各軸重量分別為3、12、12、14、14 t。

圖1 貨車示意圖

圖2 貨車軸重及軸距示意圖(單位：軸重為kN，軸距為m)

使用梁、殼、實體單元及離散單元構(gòu)建車輛模型，參照表1所示參數(shù)建立車輛模型(見圖3)。

圖3 車輛的三維有限元模型

1.2 橋梁模型的建立

某懸索橋孔跨布置為3×40 m預(yù)應(yīng)力砼T梁+810 m懸索橋+2×60 m預(yù)應(yīng)力砼T構(gòu)。主纜矢跨比為1∶10，主梁結(jié)構(gòu)形式為扁平鋼箱梁，主梁高3.0 m、寬39.6 m，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距12 m。運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立橋梁有限元模型，主梁采用殼單元模擬，主纜和拉索采用桿單元模擬，塔底和主纜錨固點均采用固結(jié)連接(見圖4)。

圖4 橋梁有限元模型

1.3 車-橋耦合模型的建立

在LS-DYNA分析平臺中將動摩擦系數(shù)設(shè)為0.4，分析輪胎與橋面間滾動接觸過程中摩擦的影響。圖5為車-橋耦合模型全局側(cè)視圖，圖6為橋頭局部側(cè)視圖。

圖5 車-橋耦合模型全局圖

圖6 車-橋耦合模型橋頭局部圖

2 動力響應(yīng)分析

2.1 單車行駛下主梁的動力響應(yīng)

該懸索橋為雙向六車道，車道布置見圖7。采用一輛載重為55 t的貨車居中布置在主梁的車道二上，以80 km/h的速度勻速行駛，車橋耦合模型中車輛位置見圖8。單車作用下車-橋耦合系統(tǒng)的振動響應(yīng)見圖9。

圖7 橋梁車道布置

圖8 車橋相對位置示意圖

圖9 單車作用下車-橋耦合系統(tǒng)的振動響應(yīng)

由圖9可知：1)車輛以80 km/h的速度勻速行駛，行駛在邊跨位置時跨中位移僅出現(xiàn)較小波動，行駛在跨中位置時位移達(dá)到最大值-4.1 cm；隨著車輛離開跨中位置，豎向位移逐漸減小。2)跨中截面的豎向加速度隨著車輛上橋逐漸增大，行駛到22.92 s時，豎向加速度達(dá)到最大值0.131 7 m/s2；隨著車輛離開跨中位置，加速度逐漸減小。

2.2 主纜各特征點位置豎向位移

單車行駛情況下主纜各特征點位置豎向振動位移見圖10。

圖10 主纜特征點位置豎向位移

由圖10可知：主纜各位置的豎向位移呈現(xiàn)非均勻的對稱性，符合懸索橋這種索類結(jié)構(gòu)的受力特點；載重貨車移動對主纜豎向位移影響最大的位置不是主梁跨中，而是主纜1/4跨左右。

2.3 主梁各特征點位置吊桿動應(yīng)力

單車行駛情況下主梁各特征點位置吊桿動應(yīng)力見圖11。

圖11 吊桿應(yīng)力增幅對比曲線

由圖11可知：主梁各位置的吊桿應(yīng)力隨著車輛移動而變化，車輛靠近吊桿時，吊桿的應(yīng)力增長達(dá)到峰值，然后隨著車輛遠(yuǎn)去逐漸減小至初始應(yīng)力。但一直伴有輕微震蕩。車輛行駛過程中，在主梁3/8跨位置處吊桿應(yīng)力增長最多。

2.4 主梁各特征點位置頂板局部動應(yīng)力

單車行駛情況下主梁各特征點處頂板局部位置動應(yīng)力見圖12。

圖12 主梁頂板應(yīng)力增幅對比曲線

由圖12可知：車輛從主梁的1/8跨移動至1/2跨，車輛作用對主梁頂板的影響逐漸減小，車輛在主梁1/8跨位置時頂板應(yīng)力增長幅度最大(見表2)。

表2 各特征響應(yīng)的增長峰值

由表2可知：在單輛貨車作用下，主梁1/4跨位置產(chǎn)生最大向下位移，為114.57 mm；主梁3/8跨位置附近的吊桿拉應(yīng)力增長最多，為10.62 MPa；主梁1/8跨位置的頂板產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，為7.53 MPa。

3 結(jié)論

基于LS-DYNA程序建立精細(xì)的車-橋耦合模型，分析單車不同行駛速度對橋梁振動響應(yīng)的影響，得出如下結(jié)論：

(1)與傳統(tǒng)有限元計算方法相比，采用文中方法進(jìn)行分析無需編制復(fù)雜的車-橋耦合求解程序，能更精確地模擬車-橋耦合振動。

(2)在一輛重型貨車作用下，主梁豎向位移變化最大的位置為主梁1/4跨處，而非跨中位置，最大向下位移為114.57 mm。

(3)一輛重型貨車作用下，主梁3/8跨附近吊桿和1/8跨處頂板動應(yīng)力增量最明顯，分別達(dá)10.62、7.53 MPa。