基于人為疏導方案的鋼管混凝土拱橋結構安全性能影響分析

王 艷，孫 虎

(陜西國防工業職業技術學院 建筑與熱能工程學院，陜西 西安 710302)

隨著時代的快速發展，城市交通擁堵與經濟的發展矛盾越發嚴重，如何解決交通擁堵問題已成為社會的研究熱點。人為干預交通疏導作為解決城市交通擁堵的主要手段，擔負著重要的角色。人為干預交通疏導在施行過程中，主要憑借疏導人員的主觀意識來采取一定的疏導方式來排堵，如果涉及到橋梁結構，采取何種方案可在保證快速排堵的同時又不影響或者不降低橋梁結構安全性是一個重要的研究課題。有學者對上海市區高架道路交通排堵方案以及效果進行了分析；就主要交通流參數對堵塞傳播的影響規律進行研究；基于路網拓撲結構的分區抗堵塞對交通選擇模型進行研究；研究了在靜力荷載、動力荷載作用下橋梁結構參數的變化情況對橋梁結構的安全性影響。根據我國公路橋涵設計規范中的極限承載限制提出新的調整系數，從而對橋梁結構的安全性進行分析。但對交通排堵方案對橋梁結構安全性進行研究較少。

本文對雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的排堵方案進行分析后總結出4種工況，分別在大型有限元軟件Midas Civil中進行模擬分析，對其在某一拱橋上運行后引起的拱橋振動的影響進行分析，其研究結果可對鋼管混凝土拱橋發生堵塞進行排堵時的排堵方案選擇提供參考。

1 理論計算

將排堵方案中的車輛荷載比作動荷載，通過拱橋結構的動力分析計算拱橋結構的動力響應，從而研究何種排堵方案對拱橋結構的振動影響最小。本文所使用的動力方程為：

(1)

式中：[]為質量； []為剛度；[]為阻尼。

本文研究對象為雙向六車道拱橋結構，而移動車輛荷載在排堵過程中相比較于橋梁結構而言影響非常小，因此本次分析中忽略車輛荷載對式(1)中各因素的影響。即默認所有排堵方案施行時矩陣、、是不變的，這樣就控制唯一變量{()}是隨時間變化的。在有限元模擬中將車輛荷載模擬為不同時間作用在不同節點的動力節點荷載，從而每個節點荷載都在隨時間變化而發生變化，再根據車輛荷載在車道上行駛的特點，即在某一位置加載后又快速的釋放。本文在模型模擬中將車輛荷載的運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，三角形荷載作用如圖1所示；其中為軸重；與分別為車輛荷載通過該節點所需的時間，該時間與車輛運行速度相關。

圖1 等腰三角形荷載圖

2 有限元模型與排堵方案分析

本文以某鋼管混凝土拱橋為有限元模型，主跨長為65 m，主跨失高30.5 m，橋面的總寬度22.5 m。該拱橋的主拱肋為鋼管混凝土結構，用軟件Midas Civil對該拱橋進行有限元模擬。模擬完成共509個節點，667個單元，鋼管混凝土拱肋用梁單元模擬，外部用Q235鋼材，直徑0.8 m，厚度0.01 m，內部填充C40混凝土。拱橋吊桿利用直徑0.05 m的1570鋼絞線進行模擬。

經調研分析后將涉及到橋梁的排堵方案進行歸納總結成4種工況，假設橋梁一側車輛堵塞在另一側進行排堵的人為疏導方式。具體4種人為疏導的排堵方案如圖2所示。在分析過程中車輛參考《公路橋涵設計通用規范》中車輛荷載模型的規定，在本文的分析研究中取3軸車輛模型，總質量550 kN，其中前軸重30 kN，中軸重240 kN，后軸重280 kN。

(a)工況1

(c)工況3

3 排堵方案對拱橋安全性的影響

根據上文所示4種人為疏導排堵方案的工況分別在有限元分析中進行模擬，以此研究對橋梁結構安全性能的影響。計算時，車輛荷載在人為疏導排堵方案中的運行速度采取車速40 km/h。車道板在模擬過程中每2.5 m取1個節點動荷載位置，根據上文所述三角形荷載求的=0.225 s，=0.45 s。將模擬計算時間步長設為0.01 s，本次模擬車輛通過該鋼管混凝土拱橋的總時長5.85 s。

鋼管混凝土拱橋中橋面板與人行道板的振動是橋梁振動最直接的反應，從而拱橋面板與人行道位移的變化狀態能直接反映出整個拱橋的結構安全性，所以將橋面板與人行道位移變化作為本次研究的主要因素，然后對工況1進行分析。圖3為拱橋橋面板跨中位置109節點處位移的時程曲線。

圖3 拱橋主車道板位移時程曲線

由圖3可知，在40 km/h的速度疏導交通堵塞時車道板位移最大值發生在車輛荷載通過拱橋結構跨中位置時刻，即4.23 s時橋面板跨中位置發生最大位移為1.57E-05 m。同理，可得在40 km/h的速度疏導交通堵塞時人行道位移最大值發生在車輛荷載通過拱橋結構跨中位置時刻，即4.23 s時人行道位移最值為1.46E-05 m。

對4種工況進行分析，得出每種工況所對應的車道板與人行道的位移時程，找到最大值點的變化規律來研究4種人為疏導工況對拱橋結構安全性的影響。限于篇幅本文僅列出車道板1/4、3/4以及跨中處車道板節點、人行道節點的4種工況下的最值。圖4為各車道板節點在4種工況下位移最值變化；圖5為各人行道節點在4種工況下位移最值變化。

圖4 4種工況下車道板位移最值變化

圖5 4種工況下人行道位移最值變化

由圖4、圖5可知，在車道板位移最值變化中，工況3引起的車道板位移最值在1/4、3/4以及跨中位置處都是最小的；工況2與工況4次之，工況1引起的車道板位移最大。即從車道板位移最值判斷如要人為疏導堵塞交通優先選用工況3排堵方案，此方案對拱橋結構安全性能影響小。4種工況對人行道影響與車道板是類似的，引起人行道節點位移在1/4、3/4以及跨中位置處最值位移也是工況3。從圖6中判斷工況3、工況2與工況4和工況1中間出現空白期，說明在人行道位移中工況3和工況2的排堵方案要在一定程度上優于工況4和工況1，對拱橋結構的安全性能影響相對較小。

4 結語

通過對雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的人為疏導排堵方案進行分析，分別在有限元軟件Midas Civil中進行模擬，對其在某一拱橋上運行后引起的拱橋振動影響進行研究。結果表明，在人為疏導排堵方案中工況3(兩逆向一順向)對拱橋結構的安全性能影響最小，在日后涉及到拱橋堵塞時人為疏導交通的排堵方案如能夠按照工況3進行，對橋梁結構的影響最小，能夠更好的保護橋梁結構。