矮塔斜拉橋運營過程中的結構仿真分析

張運波，孫立偉

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043)

由于我國現代化建設的快速發展以及運營成本的增加，致使運營車輛超載現象成為常態。超載問題將會直接造成在役橋梁的損傷，削弱結構的耐久性能，不同程度地造成橋梁承載力降低，甚至危及橋梁的安全運營。為了在量化上說明超載車輛對運營橋梁結構的影響，就超載車輛對橋梁結構的影響進行結構仿真分析具有一定現實意義和科研價值。

1 工程概況

本橋位于曹妃甸港區連接工業區與陸域的一號路上，是由規劃納潮河引起的改建工程，全橋總長1 700 m。主橋跨徑為(80+128+80)m，全長288 m，橋跨結構采用預應力混凝土矮塔斜拉橋，橋墩采用板式墩，基礎采用鉆孔灌注樁。

橋梁橫斷面(半幅)布置形式為:2.25 m(人行道)+4.25 m(非機動車道)+11.5 m(行車道)+1.25 m(中間帶)，總寬度為38.5 m。

斜拉索:采用扇形單索面體系、鋼絞線索，每根索采用43根φ15.24 mm環氧噴涂鋼絞線。斜拉索布置在中央分隔帶上，塔根附近無索區梁長約40.9 m，有索區長約40.0 m，跨中無索區長約7.1 m，邊跨無索區長約19.7 m，塔上豎向索距0.9 m，梁上索距4.0 m，拉索采用雙排索，兩排索間距1.0 m。

橋塔:主塔采用鋼筋混凝土實心矩形截面，高度為18.0 m。橋塔截面為變截面，順橋向頂部寬2.6 m，下部寬3.0 m，橫橋向寬2.0 m。橋塔布置在中央分隔帶上，塔身斜拉索通過處設鞍座。

設計地震基本烈度7度;設計荷載等級為城—A級。納潮河大橋主橋的總體布置如圖1所示。

圖1 納潮河大橋主橋總體布置

2 不同交通流量荷載下的仿真分析

從目前的交通狀況和今后交通流量不斷增長的情況考慮，模擬納潮河大橋主橋在不同的交通流量下的狀態，考察主要截面的應力應變、斜拉索的索力、主梁的撓度等變化情況，從而為橋梁管理部門提供依據。

對于交通流量的模擬，本文將模擬以下4種工況:①日交通流量1萬輛;②日交通流量2萬輛;③日交通流量5萬輛;④日交通流量10萬輛。

對于以上4種工況，因為該橋為市政橋梁，其主要的車輛應為2.6 t左右的家用轎車等，因此考慮平均單車重量30 kN，車輛荷載在16 h內平均通過橋梁。

2.1 不同交通流量下的應變變化

按照以上方法計算不同交通流量情況下主梁中跨跨中梁底應變的變化，結果如表1所示。

從表1計算的結果來看，隨著交通流量增加，中跨跨中處的應變也在逐漸變大，當流量從1萬輛增加到5萬輛時，中跨跨中位置處的應變增加了90×10－6(增長將近300%)。這種情況是值得注意的，當出現這種情況時需要及時地對交通流量進行控制，以免出現因長期的過載而導致該橋部分構件的損害。當交通流量增加到10萬輛時，中跨跨中的應變值達到了209×10－6，顯然超過了該處極限應力所對應的極限應變值182×10－6。如果以中跨跨中處應變值的變化作為參照標準，綜合考慮納潮河大橋主橋的極限交通流量應該在8萬輛左右。

表1 中跨跨中處應變隨交通流量變化

2.2 不同交通流量下的索力變化

根據對該橋拉索索力變化的分析，選擇其中變化最大的C10號拉索作為分析對象，按照以上方法計算不同交通流量情況下C10號拉索的索力變化，結果如表2所示。

表2 C10號拉索索力隨交通流量變化

2.3 不同交通流量下的主梁撓度變化

按照以上方法計算不同交通流量情況下主梁中跨跨中處撓度的變化，結果如表3。

表3 中跨跨中撓度隨交通流量變化

從表3可以看出，隨著交通流量增加，橋梁主梁的撓度也隨著增加，當流量從1萬輛增加到5萬輛時，撓度由33 mm增加到134 mm，增加近300%;當交通量增加到10萬輛時，該橋中跨跨中處的撓度增加到了241 mm，已經超過了該橋撓度的極限值213 mm。如果單從撓度方面考慮，可以計算出該橋的極限交通流量同樣是在8萬輛左右。

3 超載車輛過橋時的仿真分析

在橋梁荷載中，超載車輛的影響是非常明顯的。根據實測數據了解到該橋超載現象嚴重，橋梁的運營荷載要大于結構的設計荷載，超載引起的變形和應力應變均超過了設計荷載產生的最大值。所以根據該橋的實測數據以及考慮城—A級荷載的車輛總重綜合分析，本文將簡化模擬70，95和120 t三種車輛單車的超載情況。

根據納潮河大橋主橋荷載試驗的數據分析，將橫橋向加載的位置定于主梁荷載試驗中右偏載工況下最靠近外邊緣的位置，詳細位置如圖2所示。所選用的車輛與荷載車輛的標準相同。前中軸距為4.0 m，中后軸距為1.4 m，左右輪距為1.8 m。

圖2 橫橋向加載位置(單位:m)

計算的過程是:超載車的整個重量按照前中后3個車輪兩邊共6個作用點考慮，車輛從主橋的一端逐步移動到另一端，然后計算主梁中跨跨中處的撓度，試圖從中跨跨中撓度對超載車輛的影響作出評價分析。

車輛縱橋向移動位置編號如圖3所示。計算結果如表4和圖4所示。

圖3 縱橋向加載位置編號

表4 中跨跨中撓度隨車輛位置變化 mm

根據計算結果可以看出，單臺重車通過橋梁時，70 t車輛荷載在5號位置時中跨跨中產生的撓度為7.61 mm，95 t車輛荷載在5號位置時中跨跨中產生的撓度為10.33 mm，120 t車輛荷載在5號位置時中跨跨中產生的撓度為13.05 mm。與上節中交通流量模擬分析結果比較，發現一輛120 t車輛荷載在中跨跨中位置產生的撓度占交通流量2萬輛時撓度70 mm的18.6%，也就是說一輛120 t的重車對橋梁的影響相當于5 000輛標準車輛。這種影響應該引起橋梁管理者的高度重視，即增加相應的監控手段，及時限制超載車過橋。

圖4 中跨跨中撓度隨車輛位置變化曲線

4 超載車輛不同車速對橋梁結構的影響分析

車輛速度對橋梁的內力與變形等具有一定的影響，本文將利用Midas/Civil有限元分析軟件，對該問題進行模擬。

根據該橋的交通狀況，本文選取了20，40，60，100 km/h這4種車速工況來對其進行分析。

由于車輛荷載作用在節點時是個瞬間作用后隨即消失的一種沖擊荷載，所以在本文中按照對現有交通流量的分析將其近似地模擬為最大值1 000 kN的三角形荷載，其中時間t1和t2間的時間差由車輛的速度和所建模型的節點間距來決定。

根據20 km/h車速下的變形圖(圖5)可以看出，該橋的最大位移出現在左邊跨跨中位置而不是中跨跨中位置，因此選取左邊跨跨中位置作為研究對象，來分析不同車速下超載車輛對橋梁變形的影響。

圖5 20 km/h車速下橋梁變形

計算表明:在質量為100 t的車輛過橋情況下，低速行駛反而會對該橋的動撓度產生更大的影響;車速從20 km/h提升到60 km/h的過程中，其動撓度值在逐漸減小，但是當車速從60 km/h提升到100 km/h時其動撓度又有所提高。

計算顯示，在20 km/h車速下，該橋的最大彎矩出現在左塔附近的309號單元上，因此選取該單元作為研究對象，來分析不同車速下超載車輛對橋梁彎矩的影響。

計算表明:在質量為100 t的車輛過橋情況下，低速行駛會對該橋的動態彎矩值產生較大的影響;車速從20 km/h提升到60 km/h的過程中，其彎矩值在逐漸減小，但是當車速從60 km/h提升到100 km/h時其彎矩值又有所提高，這與動撓度的變化是一致的。

從以上分析我們可以看出，對于納潮河大橋主橋來說，超載車輛過橋其車速在20 km/h到40 km/h之間時，對該橋的影響較大，因此應當適當地提高車速。而且該橋的最大動撓度是出現在左邊跨跨中，因此，希望橋梁管理者能夠對該處的內力響應等結構特性給予更大的關注。

5 結論

本文以所建有限元模型為基礎，模擬了納潮河大橋主橋在不同交通流量、不同超載車輛荷載作用情況下的工作狀態，得出了如下結論:

1)納潮河大橋主橋的極限交通流量大約在8萬輛左右，超量運營將會嚴重影響橋梁的安全使用，降低橋梁的使用壽命。

2)單臺重車通過橋梁時，一輛120 t車輛荷載在中跨跨中產生的撓度占交通流量2萬輛時撓度70 mm的18.6%，也就是說一輛120 t的重車對橋梁的影響相當于5 000輛標準車輛。

3)超載車輛的行駛速度在20～40 km/h范圍內時，對橋梁的影響較大，并且該橋梁的最大動撓度出現在左邊跨跨中處。

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