大件運輸車載下斜交T梁橋響應特征

劉韜，陳鵬濤

（1.江西省交通投資集團有限責任公司，南昌 330025；2.長安大學公路學院，西安 710064）

1 引言

大件運輸車輛是指載運大體積、不可解體物品的特殊車輛，通常具有超長、超寬、超高或超重的特點，包括幾何尺寸超限和車質量超限兩種類型。隨著我國經濟的發展，大件運輸車輛的通行頻次顯著增加，中小跨徑橋梁的正常使用性能會受到相應影響。而中小跨徑橋梁中斜交T梁橋是其中較為特殊的一部分，其具有不同于同等跨徑直橋的受力特點。斜交橋梁由于斜交角度的不同會影響到橋梁的彎矩及剪力分布并且相較于直橋斜交橋梁也存在著彎扭耦合作用。因此，分析大件運輸車載對簡支斜交T梁橋的響應特征意義顯著。

目前，已有一些學者對斜交橋梁開展了相關研究。席振坤[1]等對多種荷載作用下連續斜交橋梁的響應特征進行了深入研究，研究分析發現在斜交橋梁鈍角處支點剪力和支承反力隨著斜交角的增大而增大；唐朝陽[2]對不同斜交角和寬跨比的斜交T梁橋進行了受力性能分析，分析發現斜交T梁的受力性能會受到寬跨比和斜交角的共同影響，但斜交T梁橋對其影響較大；程京偉[3]對簡支斜交T梁橋采用空間梁格分析法進行受力性能分析，分析發現斜交T梁橋的支座反力分布不均且上部結構也會承受較大的扭轉作用；楊晶晶[4]等對斜交空心板橋梁與正交空心板橋梁在受力方面的不同進行了研究，但并未研究其他因素對受力的影響；王鍇[5]等對斜交橋梁不同位置的支反力進行了分析，但并未分析跨徑對斜交橋梁的影響；Baidar Bakiit[6]對斜交角小于20°的斜交橋梁進行了簡化分析，并提出相應的正橋等效條件。

鑒于以上現狀，首先，選取多條高速公路中的典型T梁橋作為研究對象，使用梁格法建立不同斜交角度和不同跨徑的有限元模型；其次，基于某省的大件運輸車輛通行信息，提取出4種大件運輸車輛加載模型；最后，采用4種大件運輸車輛加載模型分析斜交角度和跨徑對斜交T梁響應特征的影響。

2 基于大件運輸車輛數據的T梁橋加載模型

大件運輸可根據貨物的質量與尺寸選擇不同的車輛，因此，其軸重與軸距多種多樣。為獲取大件運輸車輛對斜交T梁橋的典型加載模型，以大件運輸車輛的荷載信息及通行審批數據為基礎，結合大件運輸車輛在斜交T梁橋上的加載形式及各類荷載的占比情況，從5 000余組車輛信息中選取4種典型加載模型，如表1所示。

表1 大件運輸車輛聯軸模型

3 典型斜交T梁橋結構及有限元模型建立

3.1 典型斜交T梁橋選擇

選擇典型簡支斜交T梁橋，用以研究分析大件運輸車載作用下不同參數對簡支斜交T梁橋響應特征的影響。本文采用的典型簡支斜交T梁橋均來自《橋梁上部結構通用圖》，包括斜交角度為0°、15°、20°、30°和45°，跨徑為20 m、25 m、30 m、35 m和40 m的簡支斜交T梁橋。

3.2 斜交T梁橋有限元模型

簡支斜交T梁受力性能受許多參數影響，因此，為了便于簡支斜交T梁橋分析，運用ANSYS有限元分析軟件采用beam4梁單元模擬主梁和橫梁，link8單元來模擬預應力鋼筋，將預應力斜交T梁橋中各主梁間的現澆縫視作主梁翼緣板的一部分，并將橋面鋪裝層視作主梁的一部分，使其形成一個整體，邊界條件嚴格按照圖紙進行約束。

4 運輸車載下斜交T梁橋響應特征分析

4.1 加載分析方法

根據《超限運輸車輛行駛公路管理規定》[7]的規定大件運輸車輛應當居中行駛，因此，其有限元模型中車道荷載的布置應與大件運輸車輛實際作用形式相符合，且不計入沖擊效應。

4.2 斜交角度影響分析

斜交角是影響斜交橋梁受力的一個重要因素，斜交角的存在會影響橋梁的內力分布更重要的是會引起結構的彎扭耦合作用，因此，大件運輸車載作用下不同斜交橋梁的受力差異較大。按照上述典型橋梁信息分別建立了斜交角度為0°、15°、20°、30°和45°的預應力簡支斜交T梁橋的有限元模型，通過ANSYS有限元模型分析了不同斜交角度對30m斜交T梁橋彎矩、剪力、扭矩和位移的極值情況，結果如圖1所示。

圖1 不同斜交角度下預應力T梁橋內力及位移極值變化

根據分析結果可知：在4種加載模型作用下，對于30 m跨徑的預應力簡支斜交T梁橋，彎矩極值與位移極值均隨著斜交角度的增大而增大，且兩者對斜交角度的改變響應基本一致；扭矩極值隨著斜交角度的增加而增加，且其變化率隨著斜交角的增大而增大，因此，扭矩極值對斜交角度的響應差異越來越敏感；剪力極值均隨著斜交角度的增加而先減小后增大，且其變化率在斜交角為30°～45°時剪力最大值對斜交角度的變化最為敏感。

4.3 跨徑影響分析

斜交橋梁跨徑的不同將會影響作用在橋梁上的軸數，即會直接影響大件運輸車載作用在橋梁上的質量。因此，為分析跨徑布置對預應力簡支斜交T梁橋大件運輸車載產生的效應影響，采用上述4種大件運輸車輛加載模型對斜交角為30°的典型斜交T梁橋進行加載分析，分析結果如圖2所示。

圖2 不同跨徑下預應力T梁橋內力及位移極值變化

根據分析結果可知：在4種加載模型作用下，對于斜交角為30°的預應力簡支斜交T梁橋其彎矩極值、剪力極值和位移極值均隨跨徑增大而增大且變化率均在跨徑為25～30 m最大，同時不同跨徑的斜交T梁橋在加載模型3的作用下響應變化最為劇烈；扭矩極值在4種加載模型作用下均在跨徑為35 m處取最大值，并且在跨徑超過30 m后加載模型3和加載模型4對斜交T梁橋產生的效應基本相同。

5 結論

1）當預應力簡支斜交T梁橋跨徑一定時，其彎矩極值、位移極值和扭矩極值隨著斜交角度的增加而增加，但剪力極值隨著斜交角度的增加而先減小后增加，并且內力極值與位移極值均隨著斜交角度的增大而對斜交角度的變化更加敏感。

2）當預應力簡支斜交T梁橋斜交角度一定時，其彎矩極值、剪力極值和位移極值均隨著跨徑的增加而增加，而扭矩極值隨著跨徑的增加呈現波動變化但總變化仍呈增加趨勢。

3）當大件運輸車輛通過中小跨徑斜交T梁橋時，其彎矩、剪力和扭矩均會加劇。

4）通過分析可知，雖然隨著斜交角度和跨徑的增加斜交T梁橋的內力極值與位移極值總變化均呈增加趨勢，但斜交角度對預應力簡支斜交T梁橋響應結果影響較大，其決定著響應的變化趨勢，而跨徑幾乎不影響其變化趨勢僅對響應的變化幅度有影響。