邹宝刚　张　硕

(1.天津市交通运输工程质量安全监督总站,天津　300384；　2.河北工业大学土木与交通学院,天津　300401)

0　引言

国内外学者对冲击系数的研究已取得了相当丰富的成果，从计算方法、模型建立、各个影响因素等方面都做了比较系统的分析。冲击系数表达方面，目前规范中只用了结构基频一个参数来定义。在车辆模型建立方面，大都是采用简化的弹簧质量车模型、两轴车模型、三轴车模型等等[1-4]；车桥耦合分析方面，大多都采用理论推导的车桥耦合系统运动方程，通过自编程序进行车辆过桥的动力时程分析，计算过程较为复杂，得到的结果也有所差异[5,6]。

在本文中主要研究车桥耦合振动的一种仿真分析方法，并用于冲击系数的影响因素分析。主要通过大型通用有限元软件ANSYS建立桥梁模型，得到桥梁的动力特性；运用新一代多体系统动力学软件UM建立可视化的三维车辆模型。然后运用ansys_um.exe接口程序将桥梁模型导入到UM软件中，进而在UM软件中进行车桥耦合振动的不同工况分析。这一联合仿真模拟可以达到较好的仿真效果。

1　车桥耦合动力分析模型建立

1.1　桥梁模型建立

本文从《公路桥梁结构上部构造系列通用设计图》(2010年版)中选用具有代表性的箱梁截面，按连续梁桥结构形式设计一座桥梁，图1为桥梁跨中横断面图，表1为桥梁的基本信息。

主梁类型结构形式跨度/m基频箱梁桥连续3×306.8413×355.0813×403.924

桥梁模型的建立采用有限元软件ANSYS，材料的弹性模量为34.5 GPa，密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.2。选用实体单元Solid65进行模拟，以获取较高的精度，建模过程使用APDL语言编写程序导出桥梁的频率向量和模态振型矩阵，用于后续的车桥耦合振动分析。图2为使用ANSYS建立的部分桥梁模型图，其他桥梁模型图不一一列出。

1.2　车辆模型建立

为了便于进行桥梁冲击系数的对比分析，车辆模型的参数为：Mvr=35 000 kg，KvL=KvR=2.475×104N/m，CvL=CvR=3 502 kN·s/m。运用多体动力学软件UM中参数化建模的方法建立车辆模型。建立的车辆模型如图3所示。

1.3　车桥耦合振动模型

车桥耦合振动模型的建立采用UM软件子系统建模技术，车辆模型建立好以后，可以将其转化为一个子系统(Subsystem)，然后在当前模型中再添加一个子系统，并命名为bridge，通过软件的柔性体导入向导(Wizard of flexible subsystems)将已经转换的桥梁模型导入软件中进行耦合振动分析。

利用联合仿真模型进行车辆和桥梁的耦合，建立模型如图4所示。

2　车速对连续梁桥冲击系数的影响

大量的研究证明车辆行驶速度对车桥耦合振动有一定的影响[7-10]，本节研究车速对连续梁桥冲击系数的影响，考虑其他条件相同，桥面平整度选择为一般等级(C)，三轴车速度为20 km/h～120 km/h，分别研究连续梁桥边跨跨中和中跨跨中的冲击系数变化规律。

2.1　不同车速下桥梁动力响应

由于连续梁桥两个边跨的位移曲线刚好呈现对称的形式，所以图5只列出了3×30 m连续箱梁桥其中一个边跨和中跨在不同车速下的位移时程曲线。

从图5的位移时程曲线可以看出，由于车桥耦合作用的存在，车辆行驶过程中桥梁位移会出现不断波动的状态，在车辆驶离桥梁后，由于阻尼的存在，桥梁仍然出现小幅振动，直至位移为零。边跨跨中达到最大动位移时刻和中跨跨中达到最大动位移时刻不同，且边跨跨中最大动位移基本大于中跨跨中最大动位移；随着车速的变化，两者最大动位移有着明显的变化，认为车速对连续梁桥的动力响应有影响。

2.2　冲击系数计算

三轴车以不同速度通过桥梁时冲击系数的数据，为了进行直观的比较分析，将冲击系数随车速变化图绘制如图6所示。

从图6a)中可以看出，随着车速的增加，30 m连续梁桥边跨跨中的冲击系数呈现先减小后增大的变化趋势，在车速达到80 km/h时，冲击系数达到最小值；35 m连续梁桥边跨跨中的冲击系数呈现先减小后增大的往复变化趋势，在车速20 km/h时，冲击系数为最大值；40 m连续梁桥边跨跨中的冲击系数也呈现先减小后增大的往复变化趋势，在车速20 km/h时，冲击系数达到最大值，车速从100 km/h到120 km/h变化过程中，冲击系数减小较缓慢。分析三种不同变化趋势可以发现，车速越低在桥上行驶时间越长，桥梁振动比较显著，高频波段得到了充分的发展，冲击作用较明显。

从图6b)中可以看出，随着车速的增加，30 m连续梁桥中跨跨中的冲击系数与边跨跨中变化一致；35 m连续梁桥中跨跨中的冲击系数呈现先增大后减小的变化趋势，在车速达到80 km/h时，冲击系数达到最大值；40 m连续梁桥中跨跨中的冲击系数呈现先增大后减小再增大变化趋势，在车速达到120 km/h时，冲击系数达到最大值。分析三种不同变化趋势可以发现，由此得到的冲击系数和规范中冲击系数和跨径呈负相关的结果相反，这是因为规范中计算冲击系数只考虑了基频，没有考虑由于车桥耦合产生的冲击作用的影响导致的，进一步说明冲击系数不仅仅和桥梁基频有关，和车速也有着很大的关系。

3　结语

本文主要针对公路桥梁车桥耦合振动的冲击系数进行了研究，研究中首次运用了新一代多体系统动力学仿真软件UM和有限元软件ANSYS的结合建立了车桥耦合振动模型，基于车桥耦合振动模型对连续梁桥进行研究，最后分析了车辆速度对冲击系数的影响得到了以下结论：

1)连续梁桥车速在20 km/h时比40 km/h～120 km/h时的冲击系数大，达到80 km/h时比100 km/h～120 km/h的冲击系数大，在中跨跨中车辆速度在40 km/h左右时比120 km/h左右时的冲击系数大，体现了不同的车辆速度使冲击系数不同。

2)连续梁桥的边跨跨中冲击系数基本都呈现先减后增再减的变化趋势，而中跨跨中的冲击系数则呈现先增后减的变化趋势。

3)连续梁桥中跨跨中的冲击系数大于边跨跨中的冲击系数，计算时以中跨跨中的冲击系数为准。

4)随着桥梁跨径的增加，冲击系数逐渐增大，和规范中冲击系数和跨径呈负相关的结果相反，这是因为规范中计算冲击系数只考虑了基频，没有考虑由于车桥耦合产生的冲击作用的影响导致的，进一步说明冲击系数不仅仅和桥梁基频有关，和车速也有着很大的关系。

5)在此方法之上可以拓展到多因素对冲击系数的影响。