車輛荷載作用下多箱室斜橋橫向分布系數研究

蘭州交通大學 土木工程學院 甘肅蘭州 730070

摘要：通常情況下，為了提供更安全、更高速度的交通，盡可能的采用直橋。但是，隨著經濟的發展，近些年斜交橋的使用大大增加。斜交橋與直橋的力學行為不同[1]。在研究中，引入了大量的參數（包括跨徑、箱室數量、車道和傾斜角）以確定最大的正應力分布因子和負應力分布因子的影響因素及影響程度，并探討了多箱室斜橋沿跨中撓度的最大分布因子，采用SAP2000 模擬分析。

關鍵詞：斜交橋；車輛；荷載分布系數；有限元分析

Abstract：Under normal circumstances，in order to provide safer，higher-speed traffic，as far as possible using straight bridge.However，with the development of economy in recent years significantly increased use of skew bridges.Mechanical behavior of skew bridges with a straight bridge is different.In this study，introduces a number of parameters（including span number，box number，span and skew）to determine the maximum normal stress distribution factors of influencing factors and negative stress factors and effects，and discusses the enclosure maximum distribution of skew bridge along the mid-span deflection factor，SAP2000 analysis.Key words：skew bridges，vehicles，load distribution coefficient，finite element analysis.

Key words：skew bridges，vehicles，load distribution coefficient，finite element

1 引言

單箱多室混凝土箱梁橋是最常見的公路橋梁，這些橋梁擁有良好的扭轉剛度。而單箱多室斜交混凝土梁橋可以滿足自然或人為的障礙、復雜的交叉口和空間的限制等不利影響。研究發現，當斜交角小于30度時，可以忽略斜交角度的影響。但是在目前的橋梁設計標準中沒有考慮二次元件，中間橫膈板的存在對剪力和彎矩分布有很大影響。此外，混凝土橋在較大活載作用下拉伸和撓度較大區域會出現裂縫。因此，必須采用高拉伸強度的鋼筋。為此，應該確定橋梁橫向和縱向的應力分布和撓度變化。

本文主要是對混凝土連續斜交橋的最大撓度、拉應力和壓應力分布因子進行研究。并對橋梁活荷載分布因子有效參數的確定進行了研究。這些參數包括：傾斜角、跨度、箱室的數量和車道數。

2 橋梁數值模擬

本文采用 SAP2000建立有限元模型進行了分析。采用每個節點有六個自由度的四節點三維殼單元模擬單箱室梁橋。頂部和底部的殼單元通過板單元連接以確保整體性。橫隔板均采用相同的尺寸，如圖1，2所示。圖3給出了用于橋梁分析中典型有限元模型。

在本文研究中所采用的車輛荷載是 AASHTO規范[2]所規定的荷載。采用用三維模型進行有限元分析時，為了得到最大應力和最大撓度，車輛沿橫橋向布置為：第一輛車距橋梁邊緣 0.61 米，相鄰輪線的兩輛卡車相距 1.20 米。

3斜交橋應力分布

若要確定斜交橋梁的受拉區和受壓區的分布情況，必須找出橋梁上部結構沿縱向和橫向兩個方向上的最大應力位置。

圖4是傾斜角不變的情況下的橋梁結構的應力分布情況。縱軸代表橫向應力的變化情況，橫軸代表縱向應力變化情況，此外，正值為拉應力，負值為壓應力。從圖中可以看出，最大拉應力（正應力）出現在跨中截面處，最大壓應力（負應力）出現在中間支撐截面上。

圖5是橋梁結構跨中和中間支撐底板處的最大拉應力和最大壓應力的變化情況。從圖中可以看出，最大應力均位于腹板、底板和橫膈板相交處。

4分布系數

活荷載的橫向分布是橋梁設計和控制的重要組成部分。活荷載分布因子[3]通常通過下式計算得出：

其中： 為單車道荷載作用下該橋的最大內力， 為對應的簡支梁在單車道作用下的最大內力。

根據式（1），正應力、負應力及最大撓度分布因子為：在同一荷載作用下，有限元模型中獲得的最大響應（最大應力或者最大位移）與理想化的簡支梁最大響應的比值。下文將對影響分布系數的影響參數進行研究。

5分布因子影響參數研究

參數化的研究[1，4]，主要是為了考察參數對橋梁結構最大撓度和最大應力（包括拉應力和壓應力）的分布因子的影響。

（1）車道數量的影響

圖6是車道數量對單箱四室斜橋應力分布因子的影響關系。從圖中可以看出，車道數量對最大正應力和最大負應力的分布系數的影響成正比，即：行車道越多，影響越大；反之，行車道越少，影響越小。例如，當橋梁跨度為30米時，車道荷載數量從2增加到4的過程中，正應力和負應力的壓力分布系數分別增加了約25%和20%。

此外，可以看出：（1）小跨度對應力分布因子的影響大于大跨度對應力分布因子的影響；（2）跨度對最大負壓力分布因子的影響比正壓力分布因子的影響更大。

（2）箱室數量的影響

圖7是箱室數量對應力分布因子的影響關系。從圖中可以看出，應力分布因子隨箱增加數目而減小，這一減少是因為橋梁跨度過小造成的。例如，橋梁跨徑為30米，箱室的數量從2個增加到4個時，正應力分布因子和負應力因子減小約 53%和 42%。

（3）斜交角的影響

圖8給出了支座的傾斜角度對斜交橋的應力分布因子的影響，它是以斜交橋梁與相同跨度的規則橋梁分布因子的比值的形式給出的。Rs 和 Rd 分別代表應力和撓度的比值。此方法的優點是結果與設計車輛荷載（可靠度分析法）無關，因此能夠應用于其他類型的橋結構。

從圖8（a）中中可以得出結論，傾斜角度對跨徑較大的斜橋應力分布因子的影響不顯著。因此，在橋梁正應力分布系數的動力學方程中可以忽略其影響。

與此相反的是，傾斜角度對跨徑較小的斜橋應力分布因子有顯著的影響。例如：當跨徑為30米時，Rs 從1.08 變化到 1.40；當跨徑為90米時，Rs從 1.0 變化到到 1.19。因此，可以注意到傾斜角度對跨度較小的橋梁的影響更為顯著。

同理，傾斜角度對最大撓度分布因子的影響如圖圖 8（b）所示。很明顯，傾斜角度對撓度分布因子的影響與傾斜角度對應力分布因子的影響剛好相反。同時，傾斜角度對跨徑較小的橋梁的最大撓度的分布因子的影響更為顯著。

（4）行車道數量和箱室數量對撓度分布因子的影響

圖9給出了車道數量和箱室數量對橋梁撓度分布因子箱的影響。從圖9（a）中可以看出，最大撓度分布因子與箱室數量成反比關系。同時，也可以看出跨徑對變形分布因子的影響，即：跨徑越大，影響越大；反之越小。與此相反，從圖9（b）中可以看出，最大撓度分布因子與車道數量成正比關系。而且，跨徑越大，影響也越顯著。

6結論

本文基于對現澆多箱室混凝土斜橋在車輛荷載作用下的橫向荷載分布影響參數的研究，得出了以下結論和結果：

（1）采用SAP2000進行三維有限元建模能夠適當的評價斜交橋梁在車輛荷載作用下的行為。

（2）跨徑，傾斜角度，箱室的數量以及車道荷載數量是影響斜橋應力和撓度分布因子的最關鍵的幾個參數。

（3）傾斜角度對正應力分布系數的影響是可以忽略不計。同時，跨徑、傾斜角度、箱室的數量和車道荷載數量對分布因子的影響是耦合的，并不是單獨影響的。

參考文獻：

[1]Iman Mohseni* and A.Khalim Rashid .Transverse load distribution of skew cast-in-place concrete multicell box - girder bridges subjected to traffic condition.Latin Ameica Journal of Solids and Structures，2012.

[2]AASHTO，2008.American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Speci-fications：Customary US Units.5th Edition.，Washington，D.C

[3]Huo，X.and Zhang，Q.，2008.Effect of Skewness on the Distribution of Live Load Reaction at Piers of Skewed Continuous Bridges.Journal of Bridge Engineering，13：110.

[4]Barker，R.and Puckett，J.，1997.Design of highway bridges：based on AASHTO LRFD，bridge design specifications.Wiley- Interscience，New York，N.Y.

作者簡介：

王學權（1990-），男，甘肅白銀人，碩士，專業方向：防災減災工程及防護工程.