基于人為疏導(dǎo)方案的鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)安全性能影響分析

王 艷，孫 虎

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與熱能工程學(xué)院，陜西 西安 710302)

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)。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。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，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。有學(xué)者對(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；就主要交通流參數(shù)對(duì)堵塞傳播的影響規(guī)律進(jìn)行研究；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；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。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。但對(duì)交通排堵方案對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究較少。

本文對(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)的影響進(jìn)行分析，其研究結(jié)果可對(duì)鋼管混凝土拱橋發(fā)生堵塞進(jìn)行排堵時(shí)的排堵方案選擇提供參考。

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。本文所使用的動(dòng)力方程為：

(1)

式中：[]為質(zhì)量； []為剛度；[]為阻尼。

本文研究對(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、、是不變的，這樣就控制唯一變量{()}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。本文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)，三角形荷載作用如圖1所示；其中為軸重；與分別為車輛荷載通過(guò)該節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間，該時(shí)間與車輛運(yùn)行速度相關(guān)。

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?yàn)橛邢拊Ｐ停骺玳L(zhǎng)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(jié)構(gòu)，用軟件Midas Civil對(duì)該拱橋進(jìn)行有限元模擬。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0.8 m，厚度0.01 m，內(nèi)部填充C40混凝土。拱橋吊桿利用直徑0.05 m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2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，在本文的分析研究中取3軸車輛模型，總質(zhì)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(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，以此研究對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全性能的影響。計(jì)算時(shí)，車輛荷載在人為疏導(dǎo)排堵方案中的運(yùn)行速度采取車速40 km/h。車道板在模擬過(guò)程中每2.5 m取1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=0.225 s，=0.45 s。將模擬計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 s，本次模擬車輛通過(guò)該鋼管混凝土拱橋的總時(shí)長(zhǎng)5.85 s。

鋼管混凝土拱橋中橋面板與人行道板的振動(dòng)是橋梁振動(dòng)最直接的反應(yīng)，從而拱橋面板與人行道位移的變化狀態(tài)能直接反映出整個(gè)拱橋的結(jié)構(gòu)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(duì)工況1進(jìn)行分析。圖3為拱橋橋面板跨中位置109節(jié)點(diǎn)處位移的時(shí)程曲線。

圖3 拱橋主車道板位移時(shí)程曲線

由圖3可知，在40 km/h的速度疏導(dǎo)交通堵塞時(shí)車道板位移最大值發(fā)生在車輛荷載通過(guò)拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時(shí)刻，即4.23 s時(shí)橋面板跨中位置發(fā)生最大位移為1.57E-05 m。同理，可得在40 km/h的速度疏導(dǎo)交通堵塞時(shí)人行道位移最大值發(fā)生在車輛荷載通過(guò)拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時(shí)刻，即4.23 s時(shí)人行道位移最值為1.46E-05 m。

對(duì)4種工況進(jìn)行分析，得出每種工況所對(duì)應(yīng)的車道板與人行道的位移時(shí)程，找到最大值點(diǎn)的變化規(guī)律來(lái)研究4種人為疏導(dǎo)工況對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)、人行道節(jié)點(diǎn)的4種工況下的最值。圖4為各車道板節(jié)點(diǎn)在4種工況下位移最值變化；圖5為各人行道節(jié)點(diǎn)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(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。4種工況對(duì)人行道影響與車道板是類似的，引起人行道節(jié)點(diǎn)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(xiàn)空白期，說(shuō)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(yōu)于工況4和工況1，對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響相對(duì)較小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的人為疏導(dǎo)排堵方案進(jìn)行分析，分別在有限元軟件Midas Civil中進(jìn)行模擬，對(duì)其在某一拱橋上運(yùn)行后引起的拱橋振動(dòng)影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，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，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)。