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车辆-减速带-桥梁耦合振动效应

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：李镇江

[导读] 摘要：车辆在通过桥梁减速带时将会引起桥梁的振动。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：车辆在通过桥梁减速带时将会引起桥梁的振动。本文使用有限元动力学软件LS-DYNA建立车辆、减速带、桥梁模型分析车辆在通过减速带时对桥梁的振动响应。
        关键词：简支梁；LS-DYNA；减速带；显示动力学
        0前言
        简支梁桥由于其跨越能力较强，修建方法成熟，工期进展快，在我国西南山区应用的越来越多，为西南山区的经济发展做出了突出的贡献。简支梁桥在下坡路段为了达到减速的目的，其中多是桥隧相连，在不能在隧道内设置强制减速带的情况下，不得不在桥梁上设置强制减速带。目前其设置具有较大的随意性，而这样强制减速带设置仅按一般道路行车设计且多数减速设施的设置缺乏法律依据和国家规范并未考虑对桥梁结构的影响。我们知道车辆通过减速带时极易发生跳车，特别是在快速通过的情况下，而跳车冲击又对桥梁的竖向动态位移值有明显影响，其值比不考虑跳车冲击的位移值大得多。考虑到强制减速带对简支梁桥结构动力特性的影响研究较少，因此研究强制减速带对简支梁桥的动力特性十分必要。
        1 LS-DYNA简介
        LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。
        由 J.O.Hallquist 主持开发完成的DYNA程序系列被公认为是显式有限元程序的鼻祖和理论先导，是目前所有显式求解程序（包括显式板成型程序）的基础代码。1988年J.O.Hallquist创建LSTC公司，推出 LS-DYNA程序系列，并于1997年将LS-DYNA2D、LS-DYNA3D、LS-TOPAZ2D、LS-TOPAZ3D等程序合成一个软件包，称为LS-DYNA。
        2 车辆-减速带-桥梁模型
        2.1车辆模型
        整车模型简化为由轮胎，车辆悬挂，车架，车身组成。车辆部件几何模型的建立以及部分部件的组装在solidworks完成，网格划分以及部分前处理在有限元软件平台hypermesh里完成。车辆主要由BEAM，SHELL和DISCRETE单元组成。BEAM单元主要用来模拟部分轴件，SHELL单元主要用在轮胎、车架、车身的模拟，DISCRETE单元用来模拟车辆的悬挂系统的阻尼和振动特性。

图2.1车辆模型
2.2减速带模型

        图2.2减速带模型
        减速带的刚度相对于车轮要大得多，本文中强制减速带采用刚体壳单元进行模拟，减速带厚5mm，在LS-DYNA软件程序中计算时间步长与最小单元长度成正比，由于强制减速带本身尺寸相对桥梁非常小在划分单元的时候导致强制减速带的单元相对桥梁的单元也小得多，采用刚体壳单元模拟可以大大减少模型的计算时间同时计算结果的准确性也能够得到保证。
        2.3桥梁模型
        本文中的桥梁采用40mT型截面简支梁桥，横断面由六片T梁组成，T梁高2.5m，梁宽1.6m，每片梁间距2.17m，横向通过梁间横隔板及翼缘板的湿接缝连接成整体。
        3车-减速带-桥耦合振动
        在考虑桥梁强制减速带和不考虑桥梁强制减速带两种工况下通过LS-DYNA提取车桥耦合作用下梁底某点的位移时程曲线，得到了跨中中梁的时程位移曲线图。

图3.1中梁无减速带位移时程曲线

        图3.2中梁有减速带位移时程曲线
        根据图3.1图3.2可以看出车辆在经过减速带后引起了桥梁的高频振动并且最大位移值也增大，由无减速带时的1.41mm增加至1.58mm，增加了11.5%。
        4结论
        由于在桥梁上设置了减速带后引起了桥梁的振动，本文通过建立有限元模型得出无论是振动的频率还是幅值均较未设置减速带时有大幅增加。我们在设计桥梁时应考虑减速带的存在对桥梁的不利影响。
        参考文献：
        [1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1996.
        [2]铁道部科学研究院铁建所等.高速铁路桥梁动力性能研究报告（R）.北京，1995.
        [3]铁道部科学研究院铁建所等.“九五”国家重点科技攻关计划专题一高速铁路线桥结构与技术条件（标准）的研究（R）.北京，1996
        [4]李国素著.桁梁桥的扭转、稳定和振动[M].北京：人民交通出版社，1975.
        [5]张健峰，庄军生译校.铁路新干线上桥梁的特殊规程（BesB）.武汉：铁道部大桥工程局桥梁科学研究所，1991.12.