中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.43 No.1January，2017第 43 卷第 1 期2017 年 1 月

大件运输车-桥耦合动力学分析

周彭滔袁 单 奇袁 叶运广（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

摘 要院特殊大件运输车货质量可达千吨，在判断大件运输车辆能否安全通过桥梁时，以桥梁跨中挠度作为评判标

准关键指标。该文以四川德阳市石亭江大桥为例，采用 AutoCAD 软件对大桥进行建模，而车辆的模型以尼古拉斯全

液压平板车组为模版进行建模，然后在 ADAMS 软件中对车辆与桥梁进行耦合动力学分析，研究不同轴数、轴距、轴

线载荷的大件运输车辆通过桥梁时桥梁跨中挠度的变化情况。建立的模型和分析结果可以用于预估大件运输车辆

通过桥梁时的跨中挠度，为大件运输车辆桥梁通过性提供定量分析方法。

关键词院公路运输；车-桥耦合；动力学分析；大件运输；挠度

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2017冤01-0127-05

Large transport vehicles-bridge coupling dynamics analysis

ZHOU Pengtao，SHAN Qi，YE Yunguang（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract: Load of large transport vehicles can be up to hundreds of tons，and the bridge spandeflection can be amain indicator to judge whether a large transport vehicle can pass through thebridge securely. Deyang city’s Shitingjiang bridge was used as an example and modeled byAutoCAD software，and Nicholas hydraulic flat car was chosen as sample of such vehicles. Then，coupling dynamics of vehicle and bridge was analyzed by the ADAMS software to study therelationship between number of axles，wheel base，axis load and the bridge span deflection. Theproposed model and the results of the analysis of this paper can also be used to predict bridgespan deflection while vehicles go through bridges， providing a quantitative analysis method fortrafficability of large transport vehicles.Keywords: highway transportation；vehicle-bridge coupling；dynamics analysis； transportation oflarge equipment；deflection

收稿日期院2016-02-21曰收到修改稿日期院2016-04-13基金项目院四川省交通厅大件运输项目渊2012C7-1冤作者简介：周彭滔渊1992-冤袁男袁四川内江市人袁硕士研究生袁专业方向为机电测控遥

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.026

0 引 言大件是指那些质量和体积巨大尧不可拆解的大

型产品袁具有超长尧超大尧超高尧超重的特征袁在运输

时必须采用专用的特种车辆袁即大件运输车辆[1]遥 因

此大件运输过程中袁车辆安全地通过桥梁是大件运

输的核心之一[2]遥 大件运输车辆通过大跨径桥梁时由

于荷载巨大袁会对桥梁造成很大的负担遥 如果处理不

当袁 有可能发生大件运输车辆压塌桥梁的事故袁造成大件货物和桥梁严重损坏的经济损失[3]遥

桥梁跨中桡度是评判特殊大件运输能否安全

地通过桥梁的一个关键因素袁其反应了桥梁结构的

竖向整体刚度[4]遥 在大件车辆通过桥梁时袁对桥梁的

中国测试 2017 年 1 月

跨中挠度的测量和分析方面袁刘尧[5]采用现场测量的

方法袁以白云溪大桥为研究对象袁测量大件运输车

辆通过白云溪大桥时桥梁的挠度曰王黎怡等[6]在桥梁

每一跨中间布置 6 个百分表袁当大件车辆通过桥梁

时袁便可得到挠度曲线袁但是这种方式只能得到每

一跨桥梁的挠度曲线袁而无法得到整座桥梁的完整

挠度曲线遥乔仲发[7]针对大件运输全周期的桥梁安全

检测及评估进行研究袁通过分析活载比较法和精确

计算法遥 提出了这两种方法在桥梁承载能力计算评

定中的各自运用范围和条件遥陈杏沅[8]对大件运输车

辆通过大件公路大跨径拱桥的配重平衡法进行研

究袁通过对公路大跨径拱桥的力学特性以及配重平

衡原理进行研究袁最终提出了采用野桥上桥冶技术和

平衡配重技术来实现大件运输车辆安全通过大件公

路大跨径拱桥遥 本文在前人的研究基础上提出大件

车辆-桥梁耦合模型袁并在 ADAMS 软件中对其进行

动力学分析袁从而得到大件车辆通过桥梁时桥梁所

产生的挠度遥1 桥梁模型和大件车辆模型的建立1.1 桥梁模型的建立

采用 AutoCAD 对桥梁进行三维建模袁而模型采

用了四川德阳市的石亭江大桥遥 为了使模型更接近

实物袁参照该大桥的设计图纸以 1颐1 的比例进行建

模袁同时在此基础上对桥梁各部分模型结构进行适

当的简化袁以提高仿真效率遥如图 1 所示为桥梁三维模型袁为了降低模型的

复杂程度袁减少在 ADAMS 软件中对桥梁进行柔性

化的负担袁在进行桥梁桥面系建模时袁删除了对桥

梁承载能力仿真无影响的栏杆尧护栏尧排水设施尧中央绿化带尧路灯等附属设施袁仅保留桥梁的桥面板

以及人行道等与桥梁承载能力有关的设施遥模型建立完成后袁将模型文件导入ADAMS 中遥

因为在 AutoCAD 中所建立的桥梁模型为刚体结构袁为了仿真桥梁模型在大件运输车辆载荷作用下的

挠度变化袁使用 ADAMS/Auto Flex 模块的柔性体替

换功能袁按照德阳市石亭江大桥的设计文件修改柔

性体的各项参数将桥梁模型转化为柔性体遥图 2 是在 ADAMS 软件中进行柔性化后的桥梁

模型袁另外在进行 ADAMS 的动力学分析之前袁还需

要对桥梁模型施加一定的约束遥其中袁桥墩和地面之

间通过固定副进行约束袁使其相对于地面固定不动遥桥面板和 T 型梁之间通过固定副进行约束袁使其相

对于 T 型梁固定不动遥 在实际桥梁中袁每一跨桥梁

之间存在伸缩缝袁可以允许相邻两跨的T 型梁发

生细微的相对位移遥故在 T 型梁和盖梁之间通过滑

移副进行约束袁用以模仿伸缩缝这一结构袁使其相

对于盖梁可以存在细微的移动遥 至此袁桥梁模型建

立完毕遥

1.2 大件运输车辆仿真模型的建立

本文选用尼古拉斯全液压平板车组为模版进行

建模袁建立不同轴距尧轴数尧轴线载荷的平板车组

模型[9]袁尼古拉斯全液压平板车组的轴距尧轴数和轴

线载荷参数来自文献[4]遥车辆模型建模后如图 3 所

示袁其左边部分为配套的牵引车的轮对模型袁右边部

分为液压平板车的轮对模型遥

在进行车-桥耦合动力学分析时袁只需要考虑轮

对对桥梁的外力作用袁而不用考虑平板车中平板与

轮对之间的相互作用力袁因此为了减少模型的复杂

程度和仿真的负担袁在模型中删除了对仿真结果无

影响的平板结构和其他附属结构袁仅保留与桥梁面

板直接接触的大件运输车辆轮对组合遥 由于液压平

xyz

nsc_tractor_unit_4160

图 3 液压平板车模型

图 1 桥梁三维模型

model_1

xy

z

图 2 柔性化后桥梁模型

128

第 43 卷第 1 期

板车载荷全部由自身承担袁配套的牵引车仅提供牵

引功能袁故在仿真时袁大件货物的载荷通过对平板车

每组轮对施加作用力来模拟遥 在进行 ADAMS 动力

学仿真之前袁需要对车辆模型施加约束袁其中车轮和

车轴之间通过旋转副进行约束袁大件运输车辆的轮

对和桥梁面板之间通过接触力进行约束袁使大件运

输车辆的轮对能够在桥梁上滚动遥 给车轮施加不同

大小的运动袁使其能够以不同时速在桥面运动遥 至

此袁车辆模型建立完毕遥2 车-桥耦合动力学分析

车-桥耦合动力学分析在 ADAMS 中进行遥 全液

压平板车组模型以恒定的车速通过大件运输桥梁

模型袁可以对平板车组的轴距尧轴数尧轴线载荷进行

修改袁 从而实现大件运输车辆通过桥梁时的动力学

分析遥 通过分析计算袁获得了桥梁模型在大件运输

车辆载荷作用下的跨中挠度遥大件车辆的 1 组轮对独自匀速地通过桥梁

时袁通过动力学分析获得桥梁跨中挠度变化曲线袁如图4 所示遥

通过 ADAMS/PostProcessor 对该曲线进行滤波

处理袁消除时域信号中的高频噪声信号袁得到处理后

的数据曲线袁如图 5 所示遥

通过分析与计算可知袁在开始仿真时袁桥梁跨

中挠度由 0 下降到-4.874 3 mm袁这是由于桥梁自身

静载荷造成的桥梁跨中挠度的变化遥 在 1.188 s 时袁大件运输车辆的轮对开始接触该跨桥梁袁对该跨桥

梁造成一定冲击袁从而使桥梁跨中挠度发生一次显

著变化遥 车辆轮对通过桥梁跨中袁此时桥梁跨中挠

度变化达到最大值为-6.878 7mm遥 随着车辆模型的

轮对通过桥梁模型袁 桥梁跨中挠度变化逐渐减小并

最终平稳下来遥2.1 大件运输车辆轴数对桥梁跨中挠度的影响

大件运输车辆轴数不同袁 桥梁挠度变化也不一

样袁因此有必要研究桥梁在不同车辆轴数下的挠度

变化遥 在车-桥耦合动力学分析中袁逐次增加平板车

的轴数袁使轴数依次从 2 横轴增加到 16 横轴袁来获

取不同轴数的大件运输车辆通过桥梁时跨中挠度变

化值遥然后袁通过 ADAMS/PostProcessor 模块对所有的

滤波曲线进行分析和计算袁得出不同轴数的大件运输

车辆通过桥梁时袁桥梁跨中挠度最大值尧挠度变化平

均值以及挠度变化的均方根值袁具体数据如表 1所示遥

可以发现袁当大件运输车辆的轴数逐渐增加

时袁桥梁跨中挠度的最大值呈现明显的上升趋势遥桥梁跨中挠度变化的平均值是用来反映挠度变化

的平均趋势袁而桥梁跨中挠度均方根值用来反映

挠度变化的平均能量遥 如图 6 所示袁为桥梁挠度的

最大值尧平均值尧均方根值与大件运输车辆轴数之

间的曲线关系遥从图中曲线可知袁由 2 横轴增加到 14 横轴时袁在

大件运输车辆轴距尧轴线载荷不变的情况下袁桥梁跨

中挠度的平均值和均方根值与大件运输车辆的轴数

基本呈现一个成正比的线性关系遥 而当轴数达到 14横轴之后袁大件运输车辆模型的长度已经超过桥梁

模型每一跨的长度袁此时可以将大件运输车辆的载荷

近似地看作均匀分布的静载荷遥这时袁随着大件货物

运输车辆轴数的增加袁桥梁跨中挠度变化的平均值尧均

轴数轴线载荷/

t挠度最大值/

mm挠度平均值/

mm挠度均方根值/

mm2 50 9.085 3 5.592 8 5.685 63 50 9.760 0 6.071 6 6.278 84 50 12.2700 6.471 2 6.804 15 50 14.1860 6.897 9 7.408 66 50 14.4890 7.206 7 7.804 07 50 17.3360 7.675 0 8.486 18 50 20.7400 8.008 1 8.948 49 50 20.9210 8.335 1 9.340 510 50 21.0190 8.659 5 9.735 411 50 22.0400 9.056 2 10.328 012 50 22.4650 9.245 4 10.457 013 50 28.2160 9.658 9 10.961 014 50 29.2490 9.910 0 11.203 015 50 30.2300 10.179 0 11.562 016 50 32.3440 10.116 0 11.394 0

表 1 桥梁挠度与车辆轴数之间的关系

图 5 滤波曲线

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0时间/s

-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.0

图 4 挠度变化曲线

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0时间/s

-15.0-10.0-5.0-4.5

周彭滔等：大件运输车-桥耦合动力学分析 129

中国测试 2017 年 1 月

方根值的增长幅度逐渐减少袁并最终趋于平稳遥2.2 大件运输车辆轴距对桥梁挠度的影响

大件运输车辆选型不同袁车辆相邻两横轴之间的

轴距也不同遥 为了研究不同轴距的大件运输车辆通

过桥梁模型时桥梁跨中挠度变化情况袁在 ADAMS动力学分析中以 3 纵 4 横的尼古拉斯液压平板车

为例进行仿真袁车辆的轴距分别选择 1.5袁3.0袁4.5袁6.0袁7.5 m遥 将不同轴距的大件运输车辆模型和桥梁模

型在ADAMS 中进行耦合分析袁得出具体数据如表 2所示遥

用表中的数据绘制成桥梁跨中挠度最大值尧平均值和均方根值与大件运输车辆不同轴距之间的曲

线关系袁如图 7 所示遥由图可知袁当大件运输车辆轴数和轴线载荷不变

时袁随着车辆轴距的增加袁桥梁跨中挠度最大值尧平均值和均方根值都有一定程度的下降袁而且与大件

运输车辆的轴距基本呈现线性递减关系遥 其中轴距

从 1.5 m 增至 7.5 m 整个过程中袁挠度平均值与挠度

均方根值变化不到 1 mm袁而挠度最大值则是当轴距

增加到 3m 后开始呈现出一定的下降趋势遥2.3 大件车辆轴线载荷对桥梁挠度的影响

大件运输车辆的平板车有多达十几个的轮对袁每一个轮对都会承担载荷袁同一横轴上所有轮对所

承受载荷的总和称之为轴线载荷遥 为了研究在大件

运输车辆不同的轴线载荷情况下桥梁模型跨中挠度

的变化情况袁以野三纵一横冶的尼古拉斯液压平板车

组的 1 个横轴为模型进行动力学分析遥 三纵轴的尼

古拉斯液压平板车组在 1 个横轴中包含 3 组独立轮

对袁每组独立轮对都有 2 个独立悬挂轴尧4 个轮子袁每个独立悬挂轴所能承受的最大轴荷为 13.5 t袁则1个横轴的最大轴线载荷约为 81 t遥 在进行动力学分

析时袁从 5 t 开始增加大件运输车辆模型的轴线载

荷袁得到数据如表 3 所示遥

根据表中的数据做出桥梁跨中挠度最大值尧平均值和均方根值与大件运输车辆的不同轴线载荷之

间的曲线关系袁如图 8 所示遥在大件运输车辆轴数和轴距不变的情况下袁随

着大件运输车辆轴线载荷的增加袁桥梁跨中挠度变

化的最大值呈现较大程度的上升趋势遥 当大件运输

车辆的轴线载荷从 5 t 增加到 50 t 过程中袁桥梁跨中

挠度最大值也从 5 mm 增加到 10 mm袁增幅较大遥 挠

度变化平均值和均方根值均有一定程度的上升袁并且与大件运输车辆的轴线载荷成正比的线性关系袁但是整个变化曲线比较平缓遥3 车桥耦合模型的验证

车-桥耦合动力学模型的提出为移动车辆载荷

轴线载荷/t 挠度最大值/mm 挠度平均值/mm 挠度均方根值/mm5 5.0198 4.926 7 4.941 010 5.9768 4.944 4 4.958 215 6.2700 4.972 3 4.986 920 6.5319 4.993 5 5.009 325 6.7333 5.038 6 5.054 830 6.8972 5.044 7 5.062 935 8.1313 5.080 6 5.103 340 8.2132 5.169 2 5.198 145 8.2907 5.232 1 5.285 950 10.246 0 5.254 1 5.293 6

表 3 桥梁挠度与大件运输车辆轴线载荷之间的关系

图 6 挠度与轴数的曲线关系

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18轴数

5101520253035

挠度最大值挠度平均值挠度均方根值

1 2 4 5 6 7 836789

1011

轴距/m

挠度最大值挠度平均值挠度均方根值

图 7 桥梁挠度与大件运输车辆轴距之间的关系

轴距/m 挠度最大值/mm 挠度平均值/mm 挠度均方根值/mm1.5 10.526 6.152 8 6.404 53.0 10.512 6.063 2 6.282 14.5 10.144 6.046 3 6.247 76.0 9.738 5 5.908 8 6.042 77.5 9.386 9 5.909 8 6.020 3

表 2 桥梁挠度与大件运输车辆轴距之间的关系

130

第 43 卷第 1 期

0 10 20 30 40 50轴线载荷/t

56789

1011

挠度最大值挠度平均值挠度均方根值

图 8 桥梁挠度与车辆轴线载荷之间的关系

轴线载荷/t 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50仿真结果/mm 5.019 5.976 8 6.270 0 6.531 9 6.733 3 6.897 2 8.131 3 8.2132 8.290 7 10.246 0计算结果/mm 7.356 7.958 2 8.795 6 9.201 4 9.894 5 10.105 1 10.659 7 11.024 4 11.689 2 12.365 4

表 4 模型仿真与计算结果对比

作用下通过桥梁的强迫振动分析提供一种新的思

路袁同时在桥梁工程中也有桥梁最大挠度计算公式遥对于该文分析的挂车荷载袁其计算公式为

fp= 5384 mcgkg l40.85EhIo式中院mcg要要要挂车荷载的跨中横向分布系数曰

kg要要要平板挂车的等代荷载曰l要要要桥梁跨距曰Eh要要要混凝土的弹性模量曰Io要要要开裂截面的换算惯性矩[10]遥

将表 3 中轴线载荷换算成等代载荷袁并将 Eh=3.0伊104 MPa袁Io=5.988 1伊1010 mm4袁带入上式中袁计算

出车辆通过桥梁的最大挠度袁与模型仿真结果进行对

比袁如表 4 所示遥

从表中可以明显看出袁根据工程桥梁中的车辆

通过桥梁时最大挠度公式计算出的结果与仿真结果

相比袁每种工况下袁计算得出的挠度值均要大一些袁这是因为该公式是采用结构力学的计算方法袁没有

考虑混凝土徐变和收缩的影响袁 同时截面刚度选择

0.85EhIo 是考虑了桥梁经过一定年月后截面有一定

的开裂袁故而公式计算结果会偏大一些遥但是两种方

式得出的结果比较一致袁说明车-桥动力学分析模型

具有一定的准确度遥4 结束语

本文研究了大件运输车辆的轴数尧轴距和轴线

载荷这 3 个因素对桥梁跨中挠度的影响遥 将车-桥模

型在 ADAMS 中进行耦合仿真分析袁通过分析桥梁跨

中挠度的变化曲线袁可以得知袁随着大件运输车辆轴

线载荷的增加袁桥梁跨中挠度会逐渐增加遥 在总载

荷一定的情况下袁通过增加轴数以减少轴线载荷袁或者增大车辆的轴距会使得桥梁的跨中挠度减小遥 因

此袁当要进行特殊大件运输时袁在不超过额定轴线载

荷的前提下袁尽量选择较大轴距的运输车辆遥同时袁将车-桥耦合动力学模型用于桥梁挠度计

算能够比较准确地获取车辆通过桥梁时的动挠度

值袁并且当通过同一座桥梁的运输大件车辆变化袁该模型可以很方便的同步变化袁不需要重复建模袁相于此公式计算和实地测量挠度要更为便捷遥 此外袁

大件运输车-桥耦合模型可以用于预估大件运输车

辆通过桥梁时的跨中挠度从而预判大件运输车辆能

否安全通过桥梁遥参考文献

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