车辆二维静力动力荷载分析

摘要：本文以某条二级公路为例，使用ABAQUS对该条二级公路做了相关的二维静力分析荷载取值和二维动力分析荷载取值，并利用相关子程序对车辆荷载进行分析，对该条二级公路的通车条件给出了相关建议。

关键字：车辆荷载；动力分析；荷载效应

引言

随着今年来，我国经济建设的发展，车辆运输量的快速增长，交通车型组成的变化以及主流车型的快速发展，国家相关交通运输法律法规的引导，都对公路桥梁车辆荷载产生了很大影响，尤其是层出不穷的超载现象对公路的安全性产生了巨大的影响，分析车辆荷载对维护公路交通安全有重要意义[1]。

一 汽车荷载与车道荷载

汽车荷载分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级两个等级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。而车道荷载则由均布荷载和集中荷载组成。在考虑荷载效应时车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加。依据《公路工程技术标准》（JTG B01―2003），公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m；集中荷载标准值Pk按以下规定选取：桥涵计算跨径小于或等于5m时，Pk=180kN。而车辆荷载主要技术指标见下表1：

二 二维静力分析荷载取值

在二维计算中，荷载取为车道荷载。将路面上的荷载可看作为均布荷载，依据《公路工程技术标准》（JTG B01―2003），公路等级定为二级公路。二级公路车辆荷载标准值采用公路-Ⅱ荷载。公路-Ⅱ荷载中，车道荷载的均布荷载标准值qk和集中荷载标准值Pk，为公路-Ⅰ级车道荷载的0.75倍。将公路-Ⅱ级车道荷载集中荷载Pk均分布到8m宽的坝顶路面，叠加车道荷载的均布荷载标准值为qk，得到坝顶均布车道荷载24.7 kN/m。公路-Ⅰ级车道荷载：

qk=10.5kN/m

Pk=180kN

公路-Ⅱ级车道荷载的均布荷载：

P=（qk + Pk /8）×0.75=（10.5+180/8）×0.75=24.7kN

因此，在静力计算结果中，通车情况下的采用车道荷载进行计算，均布车道荷载为24.7kN。

三 二维动力分析荷载取值

二维静力和动力分析，荷载均采用车道荷载进行计算。但动力分析表征车辆是运动的，区别于静力分析假设车辆为静止的。因此，动力分析车辆荷载与静力分析车辆荷载有一定的区别。但动力计算的车道荷载与静力计算同样取值24.7kN。

参考《ABAQUS有限元软件在道路工程中的运用》，模拟标准轴载驶近和驶离的过程，将静力荷载改为半正弦动荷载：

，0 ≤ t ≤ T

时间T的根据车辆经过某个断面的时间长度来确定。据《道路交通常用数据手册》，轿车平均长度2.5m，经过某个断面的时间与车速有关：

当车速为10km/h时，即车速为2.778m/s，总时间长度为：

T=2.5/2.778=0.9s

当车速为20km/h时，即车速为5.556m/s，总时间长度为：

T=2.5/5.556=0.45s

当车速为30km/h时，即车速为8.333m/s，总时间长度为：

T=2.5/8.333=0.3s

根据圣维南原理，可以将车辆荷载均匀分布在一定范围的路面上。依据《道路交通常用数据手册》，轿车车辆可取平均压重长度取2.5m，压重宽度取1.80m，即车辆压重面积为4.5m2。因此，当车重分别为1.0t、2.0t、3.29t、4.5t、8.0t时，对应的汽车对路面的压力分别为2.22kPa、4.44kPa、7.31kPa、8.89kPa、17.19kPa。其中，3.29t为红旗轿车CA7560的重量，在同等车型中，该车具有车重大、高度低的特点，具有一定的代表性，因此以该车为代表车型，研究车重、车速等对大坝动力响应的影响。

在ABAQUS计算中，为了实现对坝顶通车时移动车辆的模拟，采用VDLOAD子程序进行了相关的计算。在VDLOAD子程序中，假设路面均布荷载value，判断汽车所在的位置，将该汽车所在位置的荷载value定义为车辆均布荷载值P，其余地方荷载value为0。

单车辆动荷载计算模拟了一辆轿车在坝顶路面上行驶的过程，闲暇时段，路面车辆较少，以单车辆行驶作为极小动荷载[2]。多车辆荷载模拟了多辆车在坝顶路面行驶过程，车辆行驶过程应中保持车距，车距越长，路面上的车辆越少，车距越短，路面上行驶的车辆越多，路面上车辆的多少意味着路面所承受的动荷载的大小。

据《中华人民共和国道路交通安全法》第四十三条规定：同车道行驶的机动车，后车应当与前车保持足以采取紧急制动措施的安全距离。交管部门对“足以采取措施”的解释是：“足以”是指同一车道的后车与前车必须保持足够的行车间距。当机动车时速为60公里时，行车间距应为60米以上；时速为80公里时，行车间距为80米以上，以此类推。如遇雨天、雾天或路面有水、结冰时，应延长行车间距。为了使计算结果偏安全，取车间距取值偏小，路面上能通过的车辆偏多，作为多车辆荷载计算时的极大动荷载。10km/h以下取为10m，为了安全考虑和控制变量分析，20km/h、30km/h也取为10m间距，路面车辆为12辆。

四 结论

通过以上分析，得出如下结论：（1）二维静力分析中，荷载取为均布静力荷载，荷载值为24.7kN；（2）二维动力分析中，荷载值取为正弦分布荷载，荷载幅值为24.7kN，正弦周期与车辆行驶速度相关，行驶速度越大，周期越短；建议控制通过该道路的车重。根据路面的抗拉强度要求得到过车的最大车重为4.13t，考虑1.2的安全裕度，限制车重为3.44t，并限制通车高度1.90m。

参考文献：

[1] 韩大建，杜江.工程结构作用极值分析方法研究[J]. 建筑科学与工程学报，2008， 2：68-71.

[2] 廖公云，黄晓明. ABAQUS有限元软件在道路工程中的运用[M]. 东南大学出版社， 2008.