基于交通排堵方案的鋼管混凝土拱橋安全性研究

杜祝遙

摘 要：文章以鋼管混凝土拱橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后排堵方案的4種工況，在有限元軟件Midas Civil中進(jìn)行分析，對(duì)各工況在背景拱橋上運(yùn)行后引起的振動(dòng)及構(gòu)件內(nèi)力影響進(jìn)行研究，得出在人為疏導(dǎo)排堵方案中工況3（兩逆向一順向）對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響最小，為日后涉及到鋼管混凝土拱橋發(fā)生堵塞進(jìn)行排堵時(shí)給出一定的建議。

關(guān)鍵詞：排堵方案;鋼管混凝土拱橋;安全性

中圖分類號(hào)：U448.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0181-03

Research on Safety of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge Based on Traffic Blockage Removal Scheme

Du Zhuyao

（Shaanxi Institute of Technology， Xi an 710302， China）

Abstract：This paper takes the concrete-filled steel tube arch bridge as the background， analyzes the four working conditions of the two-way six-lane concrete-filled steel tube arch bridge in one direction and the rear blocking scheme in the finite element software Midas Civil. Research on the vibration and internal force of the members caused by various working conditions after running on the background arch bridge. It is concluded that working condition three （two reverse directions and one forward direction） has the least impact on the safety performance of the arch bridge structure in the artificial drainage and blockage removal scheme， and certain suggestions are given when the blockage of the concrete-filled steel tube arch bridge is involved in the future.

Key words：blockage removal scheme; concrete-filled steel tube arch bridge; safety

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，城市交通擁堵與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展矛盾越發(fā)嚴(yán)重，如何解決交通擁堵問(wèn)題已成為社會(huì)的研究熱點(diǎn)[1-5]。人為干預(yù)交通疏導(dǎo)作為解決城市交通擁堵的主要手段，擔(dān)負(fù)著重要的角色。但是人為干預(yù)交通疏導(dǎo)在施行過(guò)程中，主要憑借疏導(dǎo)人員的主觀意識(shí)來(lái)采取一定的疏導(dǎo)方式來(lái)排堵，但是如果涉及到橋梁結(jié)構(gòu)，采取何種方案可在保證快速排堵的同時(shí)又不影響或者不降低橋梁結(jié)構(gòu)安全性是一個(gè)重要的研究課題[6-10]。邱英浩[11]對(duì)上海市區(qū)高架道路交通排堵方案以及效果進(jìn)行了分析。王永明[12]對(duì)主要交通流參數(shù)對(duì)堵塞傳播的影響規(guī)律進(jìn)行研究。程晨[13]基于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分區(qū)抗堵塞對(duì)交通選擇模型進(jìn)行研究。劉歡[14]研究了在靜力荷載、動(dòng)力荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性影響。李文杰[15]根據(jù)我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中的極限承載限制提出新的調(diào)整系數(shù)，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析。但是很少有學(xué)者對(duì)交通排堵方案對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究。

文章對(duì)雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的排堵方案進(jìn)行分析后總結(jié)出4種工況，分別在大型有限元軟件Midas Civil中進(jìn)行模擬分析，對(duì)其在某一拱橋上運(yùn)行后引起的拱橋振動(dòng)以及構(gòu)件內(nèi)力的影響進(jìn)行研究，希望得出的結(jié)論對(duì)鋼管混凝土拱橋發(fā)生堵塞進(jìn)行排堵時(shí)排堵方案的選擇給出一定的建議。

1 理論計(jì)算

將排堵方案中的車輛荷載比作動(dòng)荷載，通過(guò)拱橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析計(jì)算拱橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，從而研究何種排堵方案對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響最小。文章所使用的動(dòng)力方程為：

式中：[M]為質(zhì)量; [K]為剛度;[C]為阻尼。

文章研究對(duì)象為雙向六車道拱橋結(jié)構(gòu)，而移動(dòng)車輛荷載在排堵過(guò)程中相比較于橋梁結(jié)構(gòu)而言影響非常小，因此本次分析中忽略車輛荷載對(duì)式（1）中各因素的影響。即默認(rèn)所有排堵方案施行時(shí)矩陣[M] [K][C]是不變的，這樣就控制唯一變量{F（t）}是隨時(shí)間變化的。在有限元模擬中將車輛荷載模擬為不同時(shí)間作用在不同節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力節(jié)點(diǎn)荷載，從而每個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載都在隨時(shí)間變化而發(fā)生變化，再根據(jù)車輛荷載在車道上行駛的特點(diǎn)，即在某一位置加載后又快速的釋放。文章在模型模擬中將車輛荷載的運(yùn)行模擬為等腰三角形荷載，這樣基本能夠還原車輛在車道上行駛的狀態(tài)，三角形荷載如圖1，其中F為軸重，t1與t2分別為車輛荷載通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的所需的時(shí)間，該時(shí)間與車輛運(yùn)行速度相關(guān)。

2 有限元模型與排堵方案分析

文章以某鋼管混凝土拱橋?yàn)橛邢拊Ｐ停骺玳L(zhǎng)為65m，主跨失高30.5m，橋面的總寬度22.5m。該拱橋的主拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，用軟件Midas Civil對(duì)該拱橋進(jìn)行有限元模擬，如圖2所示，模擬完成共509個(gè)節(jié)點(diǎn)，667個(gè)單元，鋼管混凝土拱肋用梁?jiǎn)卧M，外部用Q235鋼材，直徑0.8m，厚度0.01m，內(nèi)部填充C40混凝土。拱橋吊桿利用直徑0.05m的1570鋼絞線進(jìn)行模擬。

經(jīng)調(diào)研分析后將涉及到橋梁的排堵方案進(jìn)行歸納總結(jié)成4種工況，假設(shè)橋梁一側(cè)車輛堵塞在另一側(cè)進(jìn)行排堵的人為疏導(dǎo)方式。具體4種人為疏導(dǎo)的排堵方案如圖3所示。在分析過(guò)程中車輛參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中車輛荷載模型的規(guī)定，在文章的分析研究中取三軸車輛模型，總重量550 kN，其中前軸重30kN，中軸重240kN，后軸重280kN。

3 排堵方案對(duì)拱橋安全性的影響

根據(jù)上文所示4種人為疏導(dǎo)排堵方案的工況分別在有限元分析中進(jìn)行模擬，來(lái)研究對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性能的影響。計(jì)算時(shí)，車輛荷載在排堵方案中的運(yùn)行速度采取車速40km/h。車道板在模擬過(guò)程中間距每2.5m取一個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載位置，根據(jù)上文所述三角形荷載求的t1=0.225s，t2=0.45s。將模擬計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01s，本次模擬車輛通過(guò)該鋼管混凝土拱橋的總時(shí)長(zhǎng)5.85s。

鋼管混凝土拱橋中的主拱肋跟吊桿是主要的受力構(gòu)件，從而拱肋軸力與吊桿軸力的變化狀態(tài)關(guān)乎著整個(gè)拱橋結(jié)構(gòu)安全性，所以將主拱肋與吊桿的受力變化作為本次研究的主要因素，然后對(duì)工況一進(jìn)行分析。圖4為拱橋主拱肋跨中位置99單元處軸力的時(shí)程曲線，由圖4可知在40km/h的速度疏導(dǎo)交通堵塞拱肋軸力最大值發(fā)生在車輛荷載通過(guò)拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時(shí)刻，即4.23s時(shí)拱肋發(fā)生最大軸力為20.75kN。圖5為拱橋跨中吊桿139單元處軸力的時(shí)程曲線，由圖5可知在40km/h的速度疏導(dǎo)交通堵塞拱肋軸力最大值發(fā)生在車輛荷載通過(guò)拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時(shí)刻，即4.23s時(shí)拱肋發(fā)生最大軸力為9.82kN。

據(jù)此，對(duì)上文中4種工況進(jìn)行分析，分別得出每種工況所對(duì)應(yīng)的拱肋與吊桿的軸力時(shí)程分析，找到最大值點(diǎn)的變化規(guī)律來(lái)研究4種人為疏導(dǎo)的工況對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)安全性的影響。限于篇幅所限文章僅列出拱肋1/4、3/4以及跨中處拱肋單元、吊桿單元的軸力在4種工況下的最值，圖6為各拱肋單元在4種工況下軸力最值變化，圖7為各吊桿單元在4種工況下軸力最值變化。

由圖6、7分別對(duì)4種工況下拱肋與吊桿的軸力最值變化可知，在拱肋軸力最值變化中，工況3引起的拱肋最值在1/4、3/4以及跨中處拱肋單元位置處都是最小的，工況2與工況4次之，工況1引起的拱肋軸力最大。即從拱肋軸力最值判斷如要人為疏導(dǎo)堵塞交通優(yōu)先選用工況3排堵方案，此方案對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)安全性能影響小。在4種工況對(duì)吊桿影響與拱肋是類似的，引起吊桿單元軸力在1/4、3/4以及跨中位置處最值軸力的也是工況3，而且從圖7中判斷工況3、2與工況4、一中間出現(xiàn)空白期，說(shuō)明在吊桿軸力中工況2、3的排堵方案要在一定程度上優(yōu)于工況4、1，對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響越小。

4 結(jié)論

橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中的安全性能關(guān)乎著城市的公共安全，對(duì)雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的排堵方案進(jìn)行分析后總結(jié)出4種工況，分別在大型有限元軟件Midas Civil中進(jìn)行模擬分析，對(duì)其在某一拱橋上運(yùn)行后引起的拱橋振動(dòng)以及構(gòu)件內(nèi)力的影響進(jìn)行研究，得出在人為疏導(dǎo)排堵方案中工況3對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響最小，在日后涉及到拱橋堵塞時(shí)人為疏導(dǎo)交通的排堵方案如能夠按照工況3進(jìn)行，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響最小，能夠更好的保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)。

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