陈德伟 丁祥文 于祥敏

（同济大学 土木工程学院， 上海 200092）

0 引言

虽然国内起步较晚，但是仍然不缺乏车辆过桥研究的资料和数据。国内车辆模型的发展也是非常迅速，相关学者也做了很多相关研究，如车辆模型的突破，桥梁模型的突破，车辆与桥面之间接触的模拟等。

施颖等[1]提出把车辆和复杂桥梁是作为两个单独的子体系，采用不同的方法去计算这两个子体系，如广义虚功原理和有限元法。该方法中的车辆模型有梁竖向自由度和一个旋转自由度，能够很好地模拟复杂桥梁（如曲线连续梁桥）的动力响应。王凡等[2]认为列车过桥时，桥梁结构会产生竖向和横向的振动和变形，那么列车在桥梁上行走时肯定会受到桥梁变形的影响。建立的车辆模型分为车体、构架和轮对四个部分，共有 6个自由度，同时考虑桥面不平顺的影响。建立的车辆较为详细，但是模型的计算量太大。柴小鹏等[3]通过采用车辆振动子系统来模拟车辆，着重研究车辆的振动，故而摒弃了常用的1/4模型、1/2模型，而是采用了更为详细的车辆模型。同时引入了路面的不平整度。主要研究了车辆的振动，而弱化了桥梁结构的模拟，且车辆与桥梁之间的耦合作用很难模拟准确。朱定国等[4]认为主要目的是研究桥梁的动力响应，可以简化车辆模型，采用古典车辆模型即可，而如果要研究车辆的动力响应时，则需要采用更为详细的车辆模型，需要根据自己的研究内容合理选择车辆模型与桥梁模型。陶梦丽等[5]研究了大跨度混凝土斜拉桥的动力特性，其中包括分析了移动荷载过桥时斜拉桥的动力响应分析。在该研究中仅采用匀速单车过桥的斜拉桥动力效应，并没有涉及到研究车群荷载过桥的动力响应，荷载模拟略有失真。

以埃及一座主跨为300m的双幅联体塔混合梁斜拉桥为例，探讨粘滞阻尼器对双幅联体塔的车辆过桥的减震作用，旨在发现粘滞阻尼器对正常运营下斜拉桥的动力影响。

1 工程概况

某大跨度斜拉桥为双幅七跨连续混合梁斜拉桥，边跨为单箱五室钢筋混凝土梁，中跨为双工字钢组合梁，跨径布置为（3×40+300+3×40）m=540m，如图 1所示。其中，两侧边跨混凝土梁长128m×2=256m，组合梁长284m，钢-混结合面设在主跨，距主塔中心线8m处。为降低工程造价和减小承台尺寸，每个主塔有3个塔肢（2个外塔肢、1个中塔肢），双幅桥共用中塔肢，塔高88.5m。边跨钢筋混凝土主梁高度为2.95m，宽度为31.8m～43.3m。中跨组合梁采用双钢主梁，中间布置4道小纵梁，桥面宽度为31.8m。钢主梁高度为2.65m，混凝土板厚度为0.26m。全桥共有16×10=160根钢绞线斜拉索，分别由根数为48～111根钢绞线组成，索的长度为58m～158m。该工程场地地震的基本烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度为0.15g。

图1 斜拉桥总体布置(单位：m)

2 有限元模型

利用通用有限元软件ANSYS建立该实际工程的简化模型，梁单元采用Beam4单元模拟，斜拉索采用Link10单元模拟，斜拉索的初始张拉力通过初应变进行设置，粘滞阻尼器采用 Combin37单元模拟[6]，建立三维空间脊骨梁有限元模型。同时考虑斜拉桥的非线性效应，包括梁柱效应和斜拉索垂度效应。

3 单车过桥工况对比分析

单车过桥工况是研究其振动特性的基础，研究此工况具有很高的理论价值[7]。单车过桥的计算模型如图 3所示。由于左右两幅桥共用同一个中塔肢，故而，左幅单车过桥也会对右幅桥产生影响，有必要同时分析左右两幅桥的动力结果。单幅单车过桥工况主跨跨中位移时程计算结果如图3.10所示。从中可以得到如下结论：

1）图4（1）和（3）反映了无阻尼器时单车过斜拉桥结构左右幅桥的纵向位移变化规律时程，左右幅主跨跨中纵向位移的变化规律相似；当车辆从左幅桥头向左幅桥尾移动时，主跨跨中先向桥头移动，再向桥尾移动，车辆在桥上的时间间隔内，主跨跨中位移基本上呈周期性运动；当时程曲线开始出现周期性振动时，便是车辆下桥的时刻；同时通过对比图 4（1）和（3），可以发现无阻尼器时左右幅主跨跨中运动周期相似，均是先向桥头移动再向桥尾移动，且车辆荷载所在的左幅桥跨中纵向位移幅值大于右幅，左幅最大纵向位移是右幅的2倍以上；

2）图4（1）和（3）反映了有阻尼器时单车过斜拉桥结构左右幅桥的纵向位移变化规律时程，左右幅主跨跨中纵向位移的变化规律相似；当车辆从左幅桥头向左幅桥尾移动时，主跨跨中先向桥头移动，再向桥尾移动，车辆在桥上的时间间隔内，主跨跨中位移基本上呈周期性运动；当车辆下桥后，主跨跨中位移没有出现明显的周期性振动；同时通过对比图4（1）和（3），可以发现无阻尼器时左右幅主跨跨中运动周期正好相反，左幅桥跨中纵向位移是先向桥头移动再向桥尾移动，而右幅桥跨中纵向位移是先向桥尾移动，再向桥头移动，且车辆荷载所在的左幅桥跨中纵向位移幅值大于右幅，左幅最大纵向位移是右幅的3倍以上；3）图4（1）和（2）反映了左幅主跨跨中纵向位移有无阻尼器的区别：无阻尼器时，纵向位移随着车速的增大而增大；有阻尼器时，纵向位移随着车速的增大而减小；无阻尼器左幅最大纵向位移是有阻尼器左幅的5～10倍，且车速越高，消振作用越明显，说明阻尼器可以抑制车辆荷载产生的强迫振动，且对高车速的消振作用更明显；

4）图4（3）和（4）反映了右幅主跨跨中纵向位移有无阻尼器的区别：无阻尼器时，纵向位移随着车速的增大而增大；有阻尼器时，纵向位移随着车速的增大而减小；无阻尼器右幅最大纵向位移是有阻尼器右幅的3～25倍，且车速越高，消振作用越明显，同样也反映了阻尼器对高车速的消振作用更为明显；

5）从上述4个对图4中的纵向位移时程规律的描述，可知阻尼器装置对主跨跨中振动规律影响不大，但是能够有效抑制车辆荷载强迫振动所产生的纵向位移运动，且受车速的影响较大。根据《公路桥涵通用设计规范》第3.3条规定，一级公路设计车速最小为60km/h，即16.7m/s。由上述的计算，阻尼器设置能够显著减小单车过桥产生的纵向位移运动。

图4 主梁纵向位移振动规律

4 结论

通过对双幅联体塔斜拉桥粘滞阻尼器两种布置方案下不同阻尼器参数的减震效果研究，得出以下结论：

1）粘滞阻尼器能够有效抑制主梁的纵向振动，使其在车辆下桥后不会做明显的周期性振动，从而利于控制拉索的应力变化幅度；

2）车速对纵向振动的影响较大，车速越大，振动的幅度越大。但是通过计算表明，粘滞阻尼器对高速移动荷载产生的纵向振动抑制较弱；

3）由于采用联塔结构，斜拉桥结构的左幅过桥对右幅也有较大的影响，但是采用阻尼器时虽然能够抑制结构的纵向振动，但是对速度的变化较为敏感，建议实际工程减少联塔结构的使用。