重型車輛作用下鋼棧橋振動響應對比分析

殷新鋒， 陳誠， 晏萬里

(長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

車輛行駛通過橋梁時產生激勵導致車輛和橋產生相互振動，這種振動稱為車橋耦合振動。鋼棧橋作為一種運輸物料、重型設備及人員而修建的臨時結構，在工程建設中起到很重要的作用。已有眾多學者對鋼棧橋力學性能進行了大量研究，如謝曉鵬等采用通用有限元軟件ANSYS，簡化鋼棧橋樁頂梁形式，將復雜的工字鋼截面簡化為矩形截面，對比分析發現2種截面形式下鋼棧橋的力學性能差別不大，在進行有限元建模時鋼棧橋樁頂梁截面形式可以簡化；劉永鋒采用ANSYS軟件，根據工程特點及荷載情況，對一種皮帶棧橋進行結構強度、穩定性驗算，通過對棧橋各組成結構的分析，發現各類型桿件相互作用較??；殷新鋒等基于LS-DYNA程序，將車輛子系統與橋梁子系統聯立耦合形成顯式車-橋耦合振動分析模型，驗證了該車橋耦合方法的正確性。以上研究多是分析靜載作用下鋼棧橋的力學性能。鋼棧橋作為一種臨時通行設施，動載作用下性能特別是移動重載作用下力學性能尤為重要。本文以一座鋼棧橋為工程背景，采用ANSYS軟件建立橋梁模型，通過LS-DYNA程序建立顯式車-橋耦合振動系統并結合實測值驗證該系統的精確性，最后進行105 t重車作用下鋼棧橋振動響應分析。

1 車輛模型的建立

1.1 車輛概況

重型車輛采用大件運輸車輛，其由牽引車、葉片升舉板和葉片組成，總質量105 t，車輛外形尺寸見圖1。牽引車前軸和中軸軸距L1為2.98 m，中軸和后軸軸距L2為1.37 m，后軸與掛車第一軸軸距L3為9.2 m，掛車車輪之間的軸距L4、L5均為1.55 m，總長度為19.75 m；牽引車橫向軸距L6、L7為1.80 m，掛車橫向軸距L8、L10為0.74 m，L9為1.06 m。車輛軸重如下：P1=11.0 t；P2=15.5 t；P3=15.5 t；P4=21.0 t；P5=21.0 t；P6=21.0 t。

圖1 車輛外形尺寸示意圖

1.2 車輛模型的建立

為了使有限元數值模擬分析趨近于現實中重型車輛通過鋼棧橋的情形，基于LS-DYNA程序建立105 t車輛模型。通過CAD軟件中的HyperWorks建立105 t重車幾何模型，運用其內嵌的HyperMesh模塊對重車模型進行網格劃分，最后保存k文件。通過LS-DYNA前處理軟件LS-PREPOST對重車模型進行關鍵字修改，包括車輪、懸架系統等汽車細部構造。105 t重車有限元模型見圖2。

圖2 重車有限元模型

車輪由輪胎、輪轂、車盤組成。為真實地模擬輪胎與橋面的接觸，輪胎采用線彈性橡膠材料，輪盤和輪轂采用線彈性剛性材料，整個車輪的各組成部分均為剛性連接。車輪壓力在LS-DYNA中通過關鍵字*AIRBAG_SIM_PLE_AIRBAG_MODEL來定義，定義輪胎中的氣體壓力為0.8 MPa。車輪模型組成見圖3。

圖3 輪胎構造

采用殼單元、剛體、彈簧阻尼單元和多點約束模擬懸架系統，懸架系統的彈簧和阻尼器參數參考文獻[10]確定。懸架系統見圖4。

圖4 懸架系統

通過定義關鍵字*INITIAL_VELOCITY_CENER_ATION來設置車輪的轉動和平動速度、汽車運動狀態及軌跡。

1.3 車輛模型的驗證

車輛模型的正確性關系到車橋耦合試驗結果的精確性。為驗證車輛模型的正確性，對實車與有限元車輛模型各軸載值進行對比。

為得到車輛模型各軸軸重，通過定義關鍵字*DAMPING_GLOBAL對車輛模型施加全局阻尼，使車輛在移動過程中能快速趨于穩定，最后讀取車輛各軸與橋面的接觸反力(見圖5)。軸載計算值與實車軸重對比見表1。

圖5 車輛各車軸軸載時程曲線

表1 車輛模型軸載與實際軸載的比較

從表1可以看出：有限元重車模型模擬的軸載與實際軸載分布情況偏差較小，總質量偏差僅為0.67%，有限元車輛模型能真實地模擬重車的軸重分布。

2 橋梁模型

2.1 橋梁概況

某鋼棧橋總長153 m，單跨跨徑為9 m，橋面板寬6 m、厚10 mm，分配梁橫向長6 m，每隔35 cm布置一根分配梁，分配梁采用I20a；主梁桁架采用雙排單層3組貝雷梁，跨徑9 m；樁頂承重梁采用2I40b，橫向焊接為一體；樁基采用φ529鋼管樁，每墩3根樁基，縱橋向間距9 m，橫橋向間距2.6 m；樁長根據地質情況確定，不滿足入土6 m時引孔，引孔深度4 m。圖6為鋼棧橋實圖，圖7為鋼棧橋立面圖。

圖6 鋼棧橋實圖

圖7 鋼棧橋立面圖(單位：cm)

2.2 橋梁三維有限元模型的建立

考慮到鋼棧橋節點數量繁多且重復，鋼棧橋各跨之間連接方式采用鉸接，各跨之間的影響不大，建立四跨橋模型能反映105 t重車通過鋼棧橋時鋼棧橋的振動響應。此外，鑒于模型過于累贅會使計算時長成倍增加，在保證計算結果準確性的前提下合理簡化橋梁模型。

利用有限元分析軟件ANSYS建立初始單跨鋼棧橋模型，再將ANSYS模型轉為k文件導入LS-PREPOST，在LS-PREPOST中對模型進行一些關鍵字的定義，得到四跨鋼棧橋模型(見圖8)。

圖8 四跨鋼棧橋模型

2.3 有限元橋梁模型驗證

為檢驗有限元橋梁模型的精確性，對模型進行靜載試驗，并將試驗結果與現場實測值進行對比。限于篇幅，只給出一種工況下的對比結果，且僅對單跨下弦桿跨中節點進行分析。同時，在保證對比結果嚴謹性的同時，簡化加載級數，僅加載一級，即對鋼棧橋只作用一輛載重卡車，以減少數值模擬耗時。

后來姑父在城管給他找了個臨時工，做市場管理員，工資不高，二千多，比玉敏少了三分之一。姑媽嫌工資少了，姑父說，指望工資吃飯喝西北風啊。姑媽頓悟，同意讓小蟲干市場管理員了。事實證明，小蟲雖然文化不高，但智商不低，姑父什么也沒指點，他竟無師自通，不但自己吃喝不花錢，連姑媽家吃菜他都管著。姑父對姑媽說小蟲是塊料子，就是文化低了，否則前途無量。

正式試驗之前，先進行預加載，消除非彈性變形，以得到更真實的試驗數據。測點布置見圖9，靜載試驗現場見圖10，靜載試驗結果與有限元計算結果對比見表2。

圖9 測點布置

圖10 靜載試驗現場

表2 跨中下弦桿節點位移

從表2可以看出：靜載試驗下單跨跨中下弦桿節點位移實測值為-4.06 mm，數值模擬值為-3.57 mm，相同加載時間內，模擬值為實測值的88%左右。根據結構力學，結構變形與施加的體外力、結構截面面積和彈性模量有關。這次靜載試驗和數值模擬的體外力相同，由試驗車提供，下弦桿截面面積相同，兩者變形存在差異的原因可能是鋼棧橋經過長年使用其彈性模量降低。

為驗證上述猜測，將有限元模型的彈性模量降低12%，通過LS-DYNA模擬動載試驗，將模擬值與現場動載實測值進行對比。動載試驗用車輛為一輛35 t自卸車，其前軸重為7 t，后軸重為28 t。試驗車慢速(10 km/h)行駛通過鋼棧橋，記錄跨中下弦桿節點位移。圖11為動載試驗現場。

圖11 現場動載試驗

通過LS-DYNA程序中關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_SUAFACE實現車橋耦合，考慮到計算時間及試驗車長度，將橋梁模型進一步簡化，得到雙跨車-橋耦合系統。除簡化橋模型外，其余各條件均與現場動載試驗相同?？缰邢孪覘U節點振動位移實測值與修改彈性模量后數值模擬值的比較見圖12。

圖12 動載作用下跨中豎向位移對比

從圖12可以看出：修正彈性模量后的數值模擬結果與實測值的振動軌跡幾乎一致，說明鋼棧橋經過長年使用剛度出現下降，降低12%彈性模量后建立的LS-DYNA橋梁模型與實橋吻合。

3 重車作用下鋼棧橋振動響應分析

3.1 荷載工況

通過LS-DYNA程序中關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE將105 t重車與鋼棧橋耦合，形成四跨顯式車-橋耦合振動分析系統(見圖13)。

圖13 車橋耦合系統

設置2種工況分析車輛質量和車速對鋼棧橋振動響應的影響。工況一：一輛54 t重車以15 km/h的速度勻速駛過鋼棧橋，一輛105 t重車以15 km/h的速度勻速駛過鋼棧橋。通過關鍵字*MAT_RIGID改變材料密度實現重車質量的改變(通過這種方式改變質量不會改變車輛的軸重比)。

3.2 鋼棧橋振動響應分析

3.2.1 動位移對比

2種工況下鋼棧橋下弦桿跨中節點豎向振動位移對比見圖14、圖15。

圖14 車輛質量對鋼棧橋下弦桿跨中節點豎向振動 位移的影響

圖15 車速對鋼棧橋下弦桿跨中節點豎向振動位移的影響

從圖14可以看出：車輛行駛速度相同時，車輛質量增大一倍，鋼棧橋下弦桿跨中節點豎向最大振動位移增大55.57%，增幅明顯。當鋼棧橋產生較大變形時，需考慮行車荷載引起鋼棧橋疲勞的問題。車輛超載對橋梁結構疲勞損傷的影響更顯著。

從圖15可以看出：車輛質量相同的情況下，速度增大一倍，鋼棧橋下弦桿跨中節點豎向最大振動位移增大4.39%，單從增大幅度來看速度影響較??；短時間內車速越快，鋼棧橋振動幅度越大，短時間內振動幅度突然增大會對鋼結構橋梁的穩定性產生影響。

3.2.2 振動應變對比

2種工況下鋼棧橋下弦桿跨中振動應變對比見圖16、圖17。

從圖16可以看出：車輛行駛速度相同時，車輛質量增大一倍，鋼棧橋的振動規律大體一致，跨中最大振動應變增大17.89%。

圖16 車輛質量對鋼棧橋下弦桿跨中動應變的影響

圖17 車速對鋼棧橋下弦桿跨中動應變的影響

從圖17可以看出：車輛質量相同的情況下，車速增大一倍，鋼棧橋的振動規律有明顯差別，主要體現在最大振動應變及整車完全駛過跨中后對跨中持續影響的能力。車速增大一倍，最大振動應變增大17.01%，在2.5 s后，整車駛過跨中，車速為30 km/h時振動應變仍在小幅變化，說明車速增大會對鋼棧橋產生持續的振動影響。

4 結論

本文通過ANSYS建立單跨鋼棧橋有限元模型，基于LS-DYNA程序建立顯式車-橋耦合振動分析系統，以車輛質量、車輛速度為參數，對比分析各工況下鋼棧橋的振動響應，得出以下結論：1) 通過現場靜載試驗和動載試驗結果與有限元數值模擬結果的對比，調整鋼棧橋模型彈性模量為設計值的88%使其與實橋更吻合。2) 車輛質量增大一倍，鋼棧橋跨中豎向振動位移增大55.57%，豎向動應變增大17.89%。3) 車速增大一倍，鋼棧橋跨中最大振動位移增大4.39%，車速越快，振動幅度增大，且對鋼棧橋的振動影響時間增長。

本文尚未研究橋面平整度改變時鋼棧橋的振動響應，這種情況可作為后續研究方向。