广东潮汕环线高速公路有限公司
摘要：为进一步研究移动荷载对梁式桥地震响应的影响，在研习大量文献的基础上，以某高速公路上一座四跨预应力混凝土连续箱梁桥为例，建立了合适的桥梁和汽车分析模型，详细分析了车辆荷载大小、车辆速度、车辆数量、汽车悬挂系统的刚度和阻尼等因素对地震荷载作用下桥梁动力响应的影响。
关键词：车辆荷载；汽车速度；桥梁；地震响应
1 车桥计算模型的建立及地震荷载的输入
1.1 车辆模型的建立
7自由度汽车计算模型是研究汽车运行特征的基本计算模型。其他更多或更少自由度的汽车计算模型都是由此模型衍变而来。对本文所研究的内容而言，只需分析汽车最基本的运动特征，所以7自由度汽车分析模型还是过于复杂。因此为求解方便还需对模型做一些简化，如图1-1所示，本文采用2自由度汽车分析模型。
图1-2 桥梁整体模型
1.3地震荷载的输入
地震级别不同对车桥系统动力响应的影响也不尽相同。根据工程概况，由所建场地地震动峰值加速度及抗震设防等级，本文选取5种典型地震波作为地震荷载输入，分别为1940，Imperial Valley，El Centro 地震波、1971，San Fernando地震波、1979，James RD，El Centro地震波、1989，Loma Prieta，Oakland Oute地震波、1994，Northridge，Sylmar County地震波。其中19440年 Imperial Valley 地震 El Centro 最为典型，因其地震波短周期波比重较大，且其整个地震波从初振到尾振较为完整的都被记录下来，常作为地震的典例多次被采用。根据上述加速度条件，在本文的分析中，地震动输入的时间间隔为0.02秒，主要为一致地震输入方法。
2 车桥系统地震响应研究
2.1不同因素对车桥地震响应的影响
桥梁的地震响应受许多因素的影响，例如地震荷载等级、车辆荷载大小及数量、主梁的截面特性、车辆系统的刚度和阻尼、桥梁跨径等等，这些因素都对其有不同程度的影响。为进一步研究各因素影响程度的大小，本节首先从如下几个方面入手，分析各因素对桥梁地震响应的影响。
2.1.1车辆荷载
随着交通运输事业的飞速发展，车辆的平均载重有了很大的增长，重型车及特重型车的比例明显提高。车辆荷载的不同对地震时桥梁动力响应的影响必然存在差异，本小节主要分析车辆荷载的不同对地震时桥梁动力响应的影响。现取6种质量等级的车辆荷载如下表1所示，假定车辆的行驶速度为72km/h，并分别对6种等级车辆荷载计算其考虑地震荷载时第2跨跨中位移时程，并对比分析。
表1 车辆荷载工况数值表
图2-26 地震作用时刚度阻尼-位移曲线
通过以上分析数据可得出：
通过上述4种工况地震荷载由图2-26可知，随车辆刚度和阻尼的增大主梁竖向位移变化很小，原因在于改变车辆悬挂刚度和阻尼并没有改变整个车身的质量，因此桥梁受汽车荷载的冲击作用也并未变化。另外一个原因在于车辆刚度和阻尼的增加改变了车辆自身的振动频率，使得两者自振频率相差越来越大，因此车辆自振频率对车桥动力响应的影响越来越小。
2.2 不同地震作用下桥梁的地震响应
地震荷载千变万化，每个地震都有自己对应的地震加速度时程波。不同地震荷载下桥梁的动力响应也有所不同。本节在前一节研究的基础上，进一步分析汽车荷载对不同地震作用下桥梁地震响应的影响规律。
2.2.1 车辆荷载
对本文所选5种地震荷载进行模拟分析，得出不同汽车荷载与地震作用下桥梁的跨中位移。对不同地震与车辆荷载下主梁位移值进行分析，大致相同，都是先下降然后再增加，都是在车辆荷载较低时随着荷载的增大主梁跨中位移有所减小，达到一定荷载值之后竖向位移又随汽车荷载的增大而增加。
2.2.2 车辆速度
本节对不同速度工况5种地震作用下桥梁振动进行模拟，得出地震作用时不同汽车行驶速度下桥梁的跨中竖向位移.不同地震作用下汽车速度-位移曲线都随汽车行驶速度的增大而减小。
2.2.3 车辆数量
前文已经分析了单一地震作用下汽车数量对桥梁地震响应的影响，本节主要对5种不同地震作用下桥梁振动进行模拟，得出不同汽车数量下桥梁的位移极值。不同地震作用下汽车数量-位移曲线走势一致。汽车数量较少时，跨中位移极值随车辆的增多而减小，在3辆车左右时达到最小值，此后主梁竖向位移随汽车数量的增大而增加。
2.2.4 阻尼和刚度
本文前节已经计算分析了刚度和阻尼对地震作用下桥梁地震响应的影响，本节为了研究其影响规律的一般性，对不同地震荷载下其影响进行模拟，得出不同地震作用下刚度和阻尼各工况的主梁跨中位移值。汽车的刚度和阻尼对地震作用下桥梁的振动响应影响较小，在工程精度范围内可以不考虑其影响。
2.3 不同跨径下桥梁的地震响应
桥梁跨径的选取受地形、地质、河道等许多因素的影响，虽然大跨度桥梁被越来越多的修建，但是中小跨径桥梁由于其施工周期短、造价低等特点在公路桥梁中还是占绝对优势。本节根据桥梁标准图集，选取4种中小跨径公路箱梁桥进行建模分析，跨径分别为20m、25m、30m、40m，分析不同跨径下汽车荷载对桥梁地震响应的影响规律。
2.3.1 车辆荷载
本节对不同跨径桥梁进行模拟，得出地震作用下不同跨径汽车荷载工况下桥梁的地震响应。在同工况下，跨径35m主梁的竖向位移要比跨径20m主梁的竖向位移高出数倍。位移值有如此大的差距主要是因为，小跨径桥梁截面的刚度较大，承载能力强，所以同样荷载作用下其变形就会小很多。
2.3.2 车辆数量
本节主要模拟不同跨径桥梁的地震响应，得出不同跨径汽车数量工况桥梁的地震响应。对各地震作用下不同跨径汽车数量工况的模拟结果进行分析，分析结果如下。
1940，Imperial Valley，El Centro地震波，在同工况下，跨径35m主梁的竖向位移要比跨径20m主梁的竖向位移高出数倍，原因在于，小跨径桥梁截面的刚度较大，承载能力强，所以同样荷载作用下其变形就会小很多。
2.3.3 车辆速度
在1940，Imperial Valley，El Centro 地震波荷载作用下，通过对各跨径不同速度工况下桥梁地震响应进行模拟，可得出不同跨径下，汽车速度对地震作用下桥梁振动响应的影响规律一致，随跨径的增大速度对跨中位移的影响越显著。
2.3.4 刚度和阻尼
本节主要模拟在1940，Imperial Valley，El Centro 地震波荷载作用下，不同跨径下汽车刚度和阻尼对桥梁地震响应的影响，各跨径位移曲线都较为平缓，说明刚度和阻尼对地震作用下桥梁动力响应影响较小。
3 结论
本文的重点在于研究汽车荷载大小、汽车行驶速度、汽车荷载数目、汽车悬挂系统的刚度和阻尼等因素对地震荷载作用下桥梁振动的影响，通过计算分析可得出如下结论：
（1）汽车荷载大小对桥梁地震响应影响较大，荷载较小时可减小地震作用下桥梁的动力响应，随着车辆荷载的增大桥梁地震响应有一最小值，超过此最小值主梁的地震响应随车辆荷载增大而增大。
（2）汽车速度对桥梁振动响应都有较大的影响，并且随汽车行驶速度的增加主梁跨中位移逐渐减小。
（3）汽车数量少于3辆时，跨中竖向位移随着荷载数量的增加开始呈下降趋势；当数量超过3辆时，随着荷载数量的增加主梁跨中位移又呈现上升趋势。
（4）汽车悬挂系统的刚度与阻尼对桥梁地震响应的影响较小，在工程误差范围内可以忽略其影响。参考文献
（5）陈令坤，蒋丽忠．考虑桩-土作用的高速列车-桥梁地震响应分析[J]．岩土力学，2012，33（10）：3162-3170.
论文作者:王少华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/19
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