大件運(yùn)輸車-橋耦合動(dòng)力學(xué)分析

周彭滔，單 奇，葉運(yùn)廣

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

大件運(yùn)輸車-橋耦合動(dòng)力學(xué)分析

周彭滔，單 奇，葉運(yùn)廣

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

特殊大件運(yùn)輸車貨質(zhì)量可達(dá)千噸，在判斷大件運(yùn)輸車輛能否安全通過橋梁時(shí)，以橋梁跨中撓度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵指標(biāo)。該文以四川德陽市石亭江大橋?yàn)槔?，采用AutoCAD軟件對(duì)大橋進(jìn)行建模，而車輛的模型以尼古拉斯全液壓平板車組為模版進(jìn)行建模，然后在ADAMS軟件中對(duì)車輛與橋梁進(jìn)行耦合動(dòng)力學(xué)分析，研究不同軸數(shù)、軸距、軸線載荷的大件運(yùn)輸車輛通過橋梁時(shí)橋梁跨中撓度的變化情況。建立的模型和分析結(jié)果可以用于預(yù)估大件運(yùn)輸車輛通過橋梁時(shí)的跨中撓度，為大件運(yùn)輸車輛橋梁通過性提供定量分析方法。

公路運(yùn)輸；車-橋耦合；動(dòng)力學(xué)分析；大件運(yùn)輸；撓度

0 引 言

大件是指那些質(zhì)量和體積巨大、不可拆解的大型產(chǎn)品，具有超長、超大、超高、超重的特征，在運(yùn)輸時(shí)必須采用專用的特種車輛，即大件運(yùn)輸車輛[1]。因此大件運(yùn)輸過程中，車輛安全地通過橋梁是大件運(yùn)輸?shù)暮诵闹籟2]。大件運(yùn)輸車輛通過大跨徑橋梁時(shí)由于荷載巨大，會(huì)對(duì)橋梁造成很大的負(fù)擔(dān)。如果處理不當(dāng)，有可能發(fā)生大件運(yùn)輸車輛壓塌橋梁的事故，造成大件貨物和橋梁嚴(yán)重?fù)p壞的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

橋梁跨中橈度是評(píng)判特殊大件運(yùn)輸能否安全地通過橋梁的一個(gè)關(guān)鍵因素，其反應(yīng)了橋梁結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度[4]。在大件車輛通過橋梁時(shí)，對(duì)橋梁的跨中撓度的測量和分析方面，劉堯[5]采用現(xiàn)場測量的方法，以白云溪大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，測量大件運(yùn)輸車輛通過白云溪大橋時(shí)橋梁的撓度；王黎怡等[6]在橋梁每一跨中間布置6個(gè)百分表，當(dāng)大件車輛通過橋梁時(shí)，便可得到撓度曲線，但是這種方式只能得到每一跨橋梁的撓度曲線，而無法得到整座橋梁的完整撓度曲線。喬仲發(fā)[7]針對(duì)大件運(yùn)輸全周期的橋梁安全檢測及評(píng)估進(jìn)行研究，通過分析活載比較法和精確計(jì)算法。提出了這兩種方法在橋梁承載能力計(jì)算評(píng)定中的各自運(yùn)用范圍和條件。陳杏沅[8]對(duì)大件運(yùn)輸車輛通過大件公路大跨徑拱橋的配重平衡法進(jìn)行研究，通過對(duì)公路大跨徑拱橋的力學(xué)特性以及配重平衡原理進(jìn)行研究，最終提出了采用“橋上橋”技術(shù)和平衡配重技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大件運(yùn)輸車輛安全通過大件公路大跨徑拱橋。本文在前人的研究基礎(chǔ)上提出大件車輛-橋梁耦合模型，并在ADAMS軟件中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，從而得到大件車輛通過橋梁時(shí)橋梁所產(chǎn)生的撓度。

1 橋梁模型和大件車輛模型的建立

1.1 橋梁模型的建立

采用AutoCAD對(duì)橋梁進(jìn)行三維建模，而模型采用了四川德陽市的石亭江大橋。為了使模型更接近實(shí)物，參照該大橋的設(shè)計(jì)圖紙以1∶1的比例進(jìn)行建模，同時(shí)在此基礎(chǔ)上對(duì)橋梁各部分模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，以提高仿真效率?/p>

如圖1所示為橋梁三維模型，為了降低模型的復(fù)雜程度，減少在ADAMS軟件中對(duì)橋梁進(jìn)行柔性化的負(fù)擔(dān)，在進(jìn)行橋梁橋面系建模時(shí)，刪除了對(duì)橋梁承載能力仿真無影響的欄桿、護(hù)欄、排水設(shè)施、中央綠化帶、路燈等附屬設(shè)施，僅保留橋梁的橋面板以及人行道等與橋梁承載能力有關(guān)的設(shè)施。

模型建立完成后，將模型文件導(dǎo)入ADAMS中。因?yàn)樵贏utoCAD中所建立的橋梁模型為剛體結(jié)構(gòu)，為了仿真橋梁模型在大件運(yùn)輸車輛載荷作用下的撓度變化，使用ADAMS/Auto Flex模塊的柔性體替換功能，按照德陽市石亭江大橋的設(shè)計(jì)文件修改柔性體的各項(xiàng)參數(shù)將橋梁模型轉(zhuǎn)化為柔性體。

圖1 橋梁三維模型

圖2是在ADAMS軟件中進(jìn)行柔性化后的橋梁模型，另外在進(jìn)行ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析之前，還需要對(duì)橋梁模型施加一定的約束。其中，橋墩和地面之間通過固定副進(jìn)行約束，使其相對(duì)于地面固定不動(dòng)。橋面板和T型梁之間通過固定副進(jìn)行約束，使其相對(duì)于T型梁固定不動(dòng)。在實(shí)際橋梁中，每一跨橋梁之間存在伸縮縫，可以允許相鄰兩跨的T型梁發(fā)生細(xì)微的相對(duì)位移。故在T型梁和蓋梁之間通過滑移副進(jìn)行約束，用以模仿伸縮縫這一結(jié)構(gòu)，使其相對(duì)于蓋梁可以存在細(xì)微的移動(dòng)。至此，橋梁模型建立完畢。

圖2 柔性化后橋梁模型

本文選用尼古拉斯全液壓平板車組為模版進(jìn)行建模，建立不同軸距、軸數(shù)、軸線載荷的平板車組模型[9]，尼古拉斯全液壓平板車組的軸距、軸數(shù)和軸線載荷參數(shù)來自文獻(xiàn)[4]。車輛模型建模后如圖3所示，其左邊部分為配套的牽引車的輪對(duì)模型，右邊部分為液壓平板車的輪對(duì)模型。

圖3 液壓平板車模型

在進(jìn)行車-橋耦合動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，只需要考慮輪對(duì)對(duì)橋梁的外力作用，而不用考慮平板車中平板與輪對(duì)之間的相互作用力，因此為了減少模型的復(fù)雜程度和仿真的負(fù)擔(dān)，在模型中刪除了對(duì)仿真結(jié)果無影響的平板結(jié)構(gòu)和其他附屬結(jié)構(gòu)，僅保留與橋梁面板直接接觸的大件運(yùn)輸車輛輪對(duì)組合。由于液壓平板車載荷全部由自身承擔(dān)，配套的牽引車僅提供牽引功能，故在仿真時(shí)，大件貨物的載荷通過對(duì)平板車每組輪對(duì)施加作用力來模擬。在進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真之前，需要對(duì)車輛模型施加約束，其中車輪和車軸之間通過旋轉(zhuǎn)副進(jìn)行約束，大件運(yùn)輸車輛的輪對(duì)和橋梁面板之間通過接觸力進(jìn)行約束，使大件運(yùn)輸車輛的輪對(duì)能夠在橋梁上滾動(dòng)。給車輪施加不同大小的運(yùn)動(dòng)，使其能夠以不同時(shí)速在橋面運(yùn)動(dòng)。至此，車輛模型建立完畢。

2 車-橋耦合動(dòng)力學(xué)分析

車-橋耦合動(dòng)力學(xué)分析在ADAMS中進(jìn)行。全液壓平板車組模型以恒定的車速通過大件運(yùn)輸橋梁模型，可以對(duì)平板車組的軸距、軸數(shù)、軸線載荷進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)大件運(yùn)輸車輛通過橋梁時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析。通過分析計(jì)算，獲得了橋梁模型在大件運(yùn)輸車輛載荷作用下的跨中撓度。

大件車輛的1組輪對(duì)獨(dú)自勻速地通過橋梁時(shí)，通過動(dòng)力學(xué)分析獲得橋梁跨中撓度變化曲線，如圖4所示。

圖4 撓度變化曲線

通過ADAMS/PostProcessor對(duì)該曲線進(jìn)行濾波處理，消除時(shí)域信號(hào)中的高頻噪聲信號(hào)，得到處理后的數(shù)據(jù)曲線，如圖5所示。

圖5 濾波曲線

通過分析與計(jì)算可知，在開始仿真時(shí)，橋梁跨中撓度由0下降到-4.874 3 mm，這是由于橋梁自身靜載荷造成的橋梁跨中撓度的變化。在1.188s時(shí)，大件運(yùn)輸車輛的輪對(duì)開始接觸該跨橋梁，對(duì)該跨橋梁造成一定沖擊，從而使橋梁跨中撓度發(fā)生一次顯著變化。車輛輪對(duì)通過橋梁跨中，此時(shí)橋梁跨中撓度變化達(dá)到最大值為-6.8787mm。隨著車輛模型的輪對(duì)通過橋梁模型，橋梁跨中撓度變化逐漸減小并最終平穩(wěn)下來。

林曉等認(rèn)為“應(yīng)用”能力指的是“不斷增強(qiáng)的運(yùn)用恰當(dāng)語言形式表達(dá)自己觀點(diǎn)的能力和情感意向”[11]61-65。經(jīng)過上述3個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)者在一定程度上內(nèi)化了所學(xué)語篇的結(jié)構(gòu)特征和語言表達(dá)形式，他們便可以進(jìn)行同類型文章的獨(dú)立寫作。借助“iWrite”“冰果作文”等在線寫作平臺(tái)，課后的獨(dú)立寫作任務(wù)包括以課內(nèi)或教師指定的課外補(bǔ)充閱讀材料為基礎(chǔ)，進(jìn)行縮寫、續(xù)寫、補(bǔ)寫、改寫、換位寫、仿寫等多種形式的寫作訓(xùn)練。

2.1 大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)對(duì)橋梁跨中撓度的影響

大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)不同，橋梁撓度變化也不一樣，因此有必要研究橋梁在不同車輛軸數(shù)下的撓度變化。在車-橋耦合動(dòng)力學(xué)分析中，逐次增加平板車的軸數(shù)，使軸數(shù)依次從2橫軸增加到16橫軸，來獲取不同軸數(shù)的大件運(yùn)輸車輛通過橋梁時(shí)跨中撓度變化值。

然后，通過ADAMS/PostProcessor模塊對(duì)所有的濾波曲線進(jìn)行分析和計(jì)算，得出不同軸數(shù)的大件運(yùn)輸車輛通過橋梁時(shí)，橋梁跨中撓度最大值、撓度變化平均值以及撓度變化的均方根值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 橋梁撓度與車輛軸數(shù)之間的關(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大件運(yùn)輸車輛的軸數(shù)逐漸增加時(shí)，橋梁跨中撓度的最大值呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。橋梁跨中撓度變化的平均值是用來反映撓度變化的平均趨勢，而橋梁跨中撓度均方根值用來反映撓度變化的平均能量。如圖6所示，為橋梁撓度的最大值、平均值、均方根值與大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)之間的曲線關(guān)系。

從圖中曲線可知，由2橫軸增加到14橫軸時(shí)，在大件運(yùn)輸車輛軸距、軸線載荷不變的情況下，橋梁跨中撓度的平均值和均方根值與大件運(yùn)輸車輛的軸數(shù)基本呈現(xiàn)一個(gè)成正比的線性關(guān)系。而當(dāng)軸數(shù)達(dá)到14橫軸之后，大件運(yùn)輸車輛模型的長度已經(jīng)超過橋梁模型每一跨的長度，此時(shí)可以將大件運(yùn)輸車輛的載荷近似地看作均勻分布的靜載荷。這時(shí)，隨著大件貨物運(yùn)輸車輛軸數(shù)的增加，橋梁跨中撓度變化的平均值、均方根值的增長幅度逐漸減少，并最終趨于平穩(wěn)。

圖6 撓度與軸數(shù)的曲線關(guān)系

2.2 大件運(yùn)輸車輛軸距對(duì)橋梁撓度的影響

大件運(yùn)輸車輛選型不同，車輛相鄰兩橫軸之間的軸距也不同。為了研究不同軸距的大件運(yùn)輸車輛通過橋梁模型時(shí)橋梁跨中撓度變化情況，在ADAMS動(dòng)力學(xué)分析中以3縱4橫的尼古拉斯液壓平板車為例進(jìn)行仿真，車輛的軸距分別選擇1.5，3.0，4.5，6.0，7.5 m。將不同軸距的大件運(yùn)輸車輛模型和橋梁模型在ADAMS中進(jìn)行耦合分析，得出具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 橋梁撓度與大件運(yùn)輸車輛軸距之間的關(guān)系

用表中的數(shù)據(jù)繪制成橋梁跨中撓度最大值、平均值和均方根值與大件運(yùn)輸車輛不同軸距之間的曲線關(guān)系，如圖7所示。

由圖可知，當(dāng)大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)和軸線載荷不變時(shí)，隨著車輛軸距的增加，橋梁跨中撓度最大值、平均值和均方根值都有一定程度的下降，而且與大件運(yùn)輸車輛的軸距基本呈現(xiàn)線性遞減關(guān)系。其中軸距從1.5m增至7.5m整個(gè)過程中，撓度平均值與撓度均方根值變化不到1mm，而撓度最大值則是當(dāng)軸距增加到3m后開始呈現(xiàn)出一定的下降趨勢。

2.3 大件車輛軸線載荷對(duì)橋梁撓度的影響

圖7 橋梁撓度與大件運(yùn)輸車輛軸距之間的關(guān)系

大件運(yùn)輸車輛的平板車有多達(dá)十幾個(gè)的輪對(duì)，每一個(gè)輪對(duì)都會(huì)承擔(dān)載荷，同一橫軸上所有輪對(duì)所承受載荷的總和稱之為軸線載荷。為了研究在大件運(yùn)輸車輛不同的軸線載荷情況下橋梁模型跨中撓度的變化情況，以“三縱一橫”的尼古拉斯液壓平板車組的1個(gè)橫軸為模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。三縱軸的尼古拉斯液壓平板車組在1個(gè)橫軸中包含3組獨(dú)立輪對(duì)，每組獨(dú)立輪對(duì)都有2個(gè)獨(dú)立懸掛軸、4個(gè)輪子，每個(gè)獨(dú)立懸掛軸所能承受的最大軸荷為13.5 t，則1個(gè)橫軸的最大軸線載荷約為81t。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，從5 t開始增加大件運(yùn)輸車輛模型的軸線載荷，得到數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 橋梁撓度與大件運(yùn)輸車輛軸線載荷之間的關(guān)系

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)做出橋梁跨中撓度最大值、平均值和均方根值與大件運(yùn)輸車輛的不同軸線載荷之間的曲線關(guān)系，如圖8所示。

在大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)和軸距不變的情況下，隨著大件運(yùn)輸車輛軸線載荷的增加，橋梁跨中撓度變化的最大值呈現(xiàn)較大程度的上升趨勢。當(dāng)大件運(yùn)輸車輛的軸線載荷從5 t增加到50 t過程中，橋梁跨中撓度最大值也從5 mm增加到10 mm，增幅較大。撓度變化平均值和均方根值均有一定程度的上升，并且與大件運(yùn)輸車輛的軸線載荷成正比的線性關(guān)系，但是整個(gè)變化曲線比較平緩。

3 車橋耦合模型的驗(yàn)證

圖8 橋梁撓度與車輛軸線載荷之間的關(guān)系

車-橋耦合動(dòng)力學(xué)模型的提出為移動(dòng)車輛載荷作用下通過橋梁的強(qiáng)迫振動(dòng)分析提供一種新的思路，同時(shí)在橋梁工程中也有橋梁最大撓度計(jì)算公式。對(duì)于該文分析的掛車荷載，其計(jì)算公式為

式中：mcg——掛車荷載的跨中橫向分布系數(shù)；

kg——平板掛車的等代荷載；

l——橋梁跨距；

Eh——混凝土的彈性模量；

Io——開裂截面的換算慣性矩[10]。

將表3中軸線載荷換算成等代載荷，并將Eh= 3.0×104MPa，Io=5.988 1×1010mm4，帶入上式中，計(jì)算出車輛通過橋梁的最大撓度，與模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 模型仿真與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表中可以明顯看出，根據(jù)工程橋梁中的車輛通過橋梁時(shí)最大撓度公式計(jì)算出的結(jié)果與仿真結(jié)果相比，每種工況下，計(jì)算得出的撓度值均要大一些，這是因?yàn)樵摴绞遣捎媒Y(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法，沒有考慮混凝土徐變和收縮的影響，同時(shí)截面剛度選擇0.85EhIo是考慮了橋梁經(jīng)過一定年月后截面有一定的開裂，故而公式計(jì)算結(jié)果會(huì)偏大一些。但是兩種方式得出的結(jié)果比較一致，說明車-橋動(dòng)力學(xué)分析模型具有一定的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語

本文研究了大件運(yùn)輸車輛的軸數(shù)、軸距和軸線載荷這3個(gè)因素對(duì)橋梁跨中撓度的影響。將車-橋模型在ADAMS中進(jìn)行耦合仿真分析，通過分析橋梁跨中撓度的變化曲線，可以得知，隨著大件運(yùn)輸車輛軸線載荷的增加，橋梁跨中撓度會(huì)逐漸增加。在總載荷一定的情況下，通過增加軸數(shù)以減少軸線載荷，或者增大車輛的軸距會(huì)使得橋梁的跨中撓度減小。因此，當(dāng)要進(jìn)行特殊大件運(yùn)輸時(shí)，在不超過額定軸線載荷的前提下，盡量選擇較大軸距的運(yùn)輸車輛。

同時(shí)，將車-橋耦合動(dòng)力學(xué)模型用于橋梁撓度計(jì)算能夠比較準(zhǔn)確地獲取車輛通過橋梁時(shí)的動(dòng)撓度值，并且當(dāng)通過同一座橋梁的運(yùn)輸大件車輛變化，該模型可以很方便的同步變化，不需要重復(fù)建模，相于此公式計(jì)算和實(shí)地測量撓度要更為便捷。此外，大件運(yùn)輸車-橋耦合模型可以用于預(yù)估大件運(yùn)輸車輛通過橋梁時(shí)的跨中撓度從而預(yù)判大件運(yùn)輸車輛能否安全通過橋梁。

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（編輯：李妮）

Large transport vehicles-bridge coupling dynamics analysis

ZHOU Pengtao，SHAN Qi，YE Yunguang
（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Load of large transport vehicles can be up to hundreds of tons，and the bridge span deflection can be amain indicator to judge whether a large transport vehicle can pass through the bridge securely.Deyang city’s Shitingjiang bridge was used as an example and modeled by AutoCAD software，and Nicholas hydraulic flat car was chosen as sample of such vehicles.Then，coupling dynamics of vehicle and bridge was analyzed by the ADAMS software to study the relationship between number of axles，wheel base，axis load and the bridge span deflection.The proposed model and the results of the analysis of this paper can also be used to predict bridge span deflection while vehicles go through bridges，providing a quantitative analysis method for trafficability of large transport vehicles.

highway transportation；vehicle-bridge coupling；dynamics analysis；transportation of large equipment；deflection

A

：1674-5124（2017）01-0127-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.026

2016-02-21；

：2016-04-13

四川省交通廳大件運(yùn)輸項(xiàng)目（2012C7-1）

周彭滔（1992-），男，四川內(nèi)江市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)電測控。