摘要：近年来，桥梁的不断建造和持续发展在我国的交通事业中占据着主导地位，随着桥梁施工技术和设计技术的不断进步，悬索桥便在纵多大跨径桥型当中应运而生，解决了人们跨越峡谷、河道、大江、海域等技术上的难题。本文以贵州坝陵河悬索桥为工程实例，建立悬索桥三维模型并施加最不利车行荷载，最终得到桥梁在最不利车行荷载作用下主缆所受的最大的拉力。并对悬索桥进行稳定性分析，对悬索桥的施工及设计具有重要的指导作用。
关键词：车行荷载 悬索桥施工 车辆耦合 稳定性分析
1 前言
在众多的桥梁工程计算研究中，车辆与结构动力的作用是一个相对复杂的难题。当列车通过桥梁时，桥梁结构除了要承受静荷载作用外，还要承受包括移动荷载对桥梁的惯性力等动力荷载的作用。这些动力作用引起的振动会使桥梁结构产生疲劳，降低其结构强度和稳定性，在一定程度上也缩短了桥梁的使用寿命。同时因为桥梁结构的振动还会对桥上车辆的运行安全性以及乘客的舒适性产生较大的影响。目前，公路桥梁结构在国内外有材料轻，跨径越来越大以及刚度越来越小的趋势。同时，超重的运输车辆以及大型工程车辆使桥梁运输量越来越大。运输量大的同时就造成了车行动力荷载在桥梁所承受荷载中所占的比例有所增加。因此，车行荷载对桥梁稳定性的影响正是本论文研究的关键点所在。
2 车行荷载作用数值模拟方法
2.1车辆荷载模型及结构动力平衡方程
由于公路桥梁上的汽车的形式各种各样，且因研究问题的不同，所以目前采用的车辆模型也各种各样，分为单轴、双轴、多轴等。也可以分为平面和空间两种。自由度的数目也因人而异，但是考虑的自由度越多，计算的不确定性也就越多。然而较多自由度的模型并不代表可以求解更加精确的结果，并不一定能够真实的模拟车辆对桥梁的作用。在众多的车辆模型当中，目前最为常见的三维车辆模型可以考虑车辆的竖向平动，前后和左右分别摆动3个自由度，另外每对轮轴有2个竖向平动自由度，本文的车辆荷载模型如图2.1 所示。
图2-1 三维二轴车辆模型
2.2冲击系数的确定
对于悬索桥桥梁上部结构，当车行荷载作用在桥面时，桥梁结构会产生比静力作用下的静挠度要大的动挠度。桥梁结构上最大动挠度与相应荷载下产生最大静挠度的比值成为桥梁结构的动力增大效应，这个比值同时也称为荷载的冲击系数。在计算车行荷载的过程中必不可少的要计算汽车的冲击作用。车行荷载在桥梁上部结构上冲击力的标准值实际为汽车荷载的标准值乘以冲击系数。
2.3最不利荷载加载方式
根据桥梁设计规范得知，汽车荷载的计算图式、荷载等级、加载方法应当符合相应的规定：
①汽车荷载分为公路—Ｉ级和公路—Ⅱ级两个等级。
②在桥面上施加最不利车行荷载时，根据桥梁设计规范可知：车道荷载和车辆荷载构成了桥梁的汽车荷载。在整体桥梁模型中施加最不利荷载时采用车道荷载，车道荷载是由均布荷载和集中荷载组成。对于桥梁结构的局部加载，规范规定采用车辆荷载来计算。在施加车行荷载时，不得对同一座桥梁结构同时施加车道荷载和车辆荷载，即两种荷载的作用不得进行叠加。本文由于是对桥梁结构的整体进行最不利车行荷载的施加，因此采用车道荷载。
3 工程概况及模型建立
坝陵河悬索桥西岸采用隧道式锚碇。锚塞体置于弱、微风化岩层且应穿过浅表岩溶发育带，基底高程在地表以下50m左右。理论IP点高程为1040m，主缆索股经散索点后散索长度为40m。
基于实际桥梁边界条件的复杂性，在进行有结构限元模拟时通过具体的支座类型来实现。本文的有限元模型中，桥塔与基础采用固接，主缆的两端分别和锚碇固接，桥面系两端分别与桥台绞接，吊杆两端横桥向的自由度耦合。悬索桥的三维有限元模型及其桥面系的细部构造如图3.2所示。
图3.2 悬索桥有限元模型
根据坝陵河悬索桥的构造可知荷载的横向系数取0.67，纵向系数取0.94。根据计算出来结构基频
=24HZ。根据计算可知冲击系数
=0.45。因此桥梁上集中荷载值的大小为Pk=328kN。均布荷载值的大小为Qk=9.6kN／m。利用有限元软件ANSYS 建立悬索桥结构模型，经过有限元划分后进行加载。通过编制循环程序将集中荷载移动的作用于悬索桥桥面上，使其作用在影响线最大的位置从而得出最不利荷载的布置方式。其模型加载图如图3.3所示。
图3.3悬索桥模型加载示意图
4 最不利车行荷载作用下索缆力计算求解
悬索桥在建模的过程中，隧道式锚碇索缆的节点编号为5557—5580。通过ANSYS 有限元软件的后处理计算，得出悬索桥在最不利车行荷载作用下主缆分别在X,Y,Z 方向的拉力值。根据索缆在各个方向上的拉力可以得出隧道式锚碇处在最不利车行荷载作用下所受到的最大的力为4.4911×105kN (两根主缆)。
根据拟静力法的相关原理，通过计算得出索缆处所受到的最大的拉力，并索缆处最大缆力作用在悬索桥隧道式锚碇处从而对隧道式锚碇稳定性情况进行相关分析。
5 结束语
本文以贵州坝陵河特大悬索桥为背景，针对悬索桥的锚固系统，运用ANSYS有限元软件进行了数值模拟分析，取得了一些有价值的成果。围岩的稳定性分析对隧道式锚碇施工具有积极的指导作用。具体来说，本文的主要工作及结论有：
（1）利用ANSYS软件建立了坝陵河悬索桥模型，根据《公路桥梁设计规范》设计出悬索桥最不利荷载布置情况。即通过施加车道荷载来确定悬索桥桥面最不利荷载的布置方式。
（2）当移动荷载作用于影响线最大的位置处即为最不利荷载布置位置。通过最不利车行荷载的布置方式经过软件非线性分析计算得出悬索桥隧道式锚碇索缆处各个节点在三个方向的应力。最终得出索缆处最大的拉力。从而对悬索桥的稳定性分析及施工提出指导意见。
参考文献
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论文作者:刘泽靖1,翟军2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/1
标签：荷载论文; 悬索桥论文; 桥梁论文; 车行论文; 结构论文; 模型论文; 不利论文; 《基层建设》2019年第9期论文;