承 宇，徐一超，丁彥翔

（1.在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；3.連云港市公共資源交易中心，江蘇 連云港 222002）

目前，世界上多個國家根據(jù)國情，結(jié)合公路實際車流情況和大量實測數(shù)據(jù)，分別在規(guī)范中給出了疲勞設(shè)計荷載譜或疲勞車輛荷載模型[1-3]。我國對車輛車流分布及車輛疲勞荷載的研究起步較晚。1997年，童樂為等[4]以上海市某橋梁通行車流分布為基礎(chǔ)，將運營中典型的車輛荷載頻值譜簡化為由6種模型車輛組成的疲勞荷載頻值譜，為我國研究車輛荷載譜奠定了基礎(chǔ)，也為其他橋梁的疲勞損傷驗算提供了參考。蘇改英[5]通過24h車流信息，基于等效疲勞損傷理論，將計算得到的車輛荷載頻值譜簡化為標(biāo)準(zhǔn)車，用于天津市橋梁的疲勞分析和設(shè)計。然而，由于我國交通現(xiàn)狀具有交通量大、超載車占比高等特點，導(dǎo)致各個地區(qū)通行車輛分布特性區(qū)別較大，直接套用其他地區(qū)車輛等效模型并不能獲得準(zhǔn)確的效果[6-7]。因此，有必要對不同地區(qū)通行車流進(jìn)行分析，以掌握車輛對橋梁影響的規(guī)律。

1 基于參數(shù)修正的跨中位移影響線

利用MIDAS Civil實體單元、梁單元和索單元，建立安慶長江公路大橋有限元模型，如圖1所示。結(jié)合成橋荷載試驗結(jié)果，通過控制主梁剛度、初拉力、邊界條件等參數(shù)，對大橋有限元模型進(jìn)行參數(shù)修正。對修正后的有限元模型施加豎向荷載，以獲得跨中位移影響線，如圖2所示。通過對安慶長江公路大橋進(jìn)行靜載試驗加載，根據(jù)無障礙行車試驗方法，用兩輛200kN的載重汽車以＜5km/h的速度勻速行駛通過橋梁，可得到主跨跨中位移影響線，其中最小值為-0.069mm，如圖3所示。從圖2可知，通過有限元模擬得到的主跨跨中最小值為-0.0661mm，誤差為4.4%（＜10%），滿足精度要求。

圖1 有限元模型

圖2 橋梁位移影響線

圖3 主跨跨中位移試驗影響線

2 重車荷載作用下的位移響應(yīng)

2.1 振蕩效應(yīng)

選取某一時間節(jié)點設(shè)定為WIM系統(tǒng)的參考節(jié)點，利用MATLAB計算參考節(jié)點前后500s內(nèi)所有車輛相對WIM系統(tǒng)的距離，通過兩者位置判斷車輛是否作用于橋梁上?；谟绊懢€疊加原理計算主跨跨中位移，得到每個時間節(jié)點車輛荷載作用下主跨跨中的位移反演值。由于車身軸距與橋梁跨度相比較小，因此將車輛荷載簡化成單個集中力，車輛荷載引起的跨中位移誤差可忽略不計。

在對GPS監(jiān)測值與實測荷載反演值對比過程中發(fā)現(xiàn)，橋梁在車輛荷載作用下除跨中產(chǎn)生向下的位移外，還存在反向位移現(xiàn)象，即振蕩效應(yīng)。為減少車輛間的相互作用，文章選取車流分布較少時間段（2016年5月29日20：10左右）作為研究重點，在該時間段內(nèi)橋梁通行車輛如表 1所示。5月29日20：06：07—20：13：24安慶長江公路大橋主跨跨中GPS監(jiān)測值及反演值時程曲線如圖4所示。

表1 2016年5月29日車流信息

圖4 2016年5月29日監(jiān)測值及反演值時程曲線

從表1可以看出，車隊主要由方向為北端的車輛組成，因此圖中選取下游GPS03監(jiān)測值作為對比數(shù)據(jù)。從圖4可以看出，GPS監(jiān)測值與實測荷載反演值時程曲線兩者吻合較好，整體變化趨勢相同。對圖中吻合差別較大處進(jìn)行編號，分別為1、2、3、4。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)：

（1）2、3、4處均為GPS監(jiān)測值出現(xiàn)峰值的地方。這是因為橋梁在重車作用下產(chǎn)生向下的變形，當(dāng)車輛以較快的速度通過后，作用在橋梁上的荷載迅速消失，產(chǎn)生位移的跨中需要回彈恢復(fù)原狀。由于橋梁剛度較大，導(dǎo)致回彈的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于作用荷載產(chǎn)生的向下的位移。圖中2處的回彈位移為18mm，3處的回彈位移為32mm，4處回彈位移為26mm。結(jié)合表1可以看出，2處由40.03t和24.40t車輛引起，3處由91.94t車輛引起，4處由91.38t和92.78t車輛引起。說明車輛荷載越大，引起的回彈位移越大。

（2）結(jié)合表1和圖4可以看出，130.96t和124.48t車輛在通行后，主跨跨中在回彈的過程中受后續(xù)重車的影響，導(dǎo)致圖4中并未出現(xiàn)明顯的振蕩效應(yīng)。與3處相比，4處主跨跨中回彈位移較小，同樣受后續(xù)車輛的影響。

（3）圖4中1處由65.17t車輛引起，但在GPS監(jiān)測時程曲線中并未表現(xiàn)出來。同樣，在GPS監(jiān)測曲線中，95.11t的車輛引起的振蕩效應(yīng)也并未出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。由于兩者位置較近，并且方向相反，因此推測車輛引起向下的位移與橋梁產(chǎn)生回彈的位移抵消，導(dǎo)致GPS監(jiān)測時程曲線較為平滑，并未出現(xiàn)振蕩效應(yīng)。

2.2 荷載作用

安慶長江公路大橋設(shè)計車輛荷載等級采用汽車-超20級，掛車-120。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—89）規(guī)定的車輛分布形式，利用MATLAB對車輛進(jìn)行編程，將車隊施加于影響線上。按照最不利荷載分布形式，將車隊分布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號影響線上，最大車輛荷載作用在影響線的峰值處?？紤]橋梁相應(yīng)的分布及折減系數(shù)，計算得到跨中最大位移為349mm。

3 結(jié)論

文章以安慶長江公路大橋為工程背景，利用健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)合有限元模型研究了重載交通下橋梁結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。通過對比有限元模型與橋梁監(jiān)測系統(tǒng)實際產(chǎn)生的撓度響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)車輛荷載造成的振蕩效應(yīng)和荷載本身存在正比關(guān)系，同時車輛間的振蕩作用互相影響，乃至抵消?；诖?，設(shè)定了跨中位移的紅色報警閥值，為其他類似橋梁監(jiān)測系統(tǒng)跨中位移閾值的設(shè)定提供了參考。