張運(yùn)波，孫立偉

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

由于我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展以及運(yùn)營(yíng)成本的增加，致使運(yùn)營(yíng)車輛超載現(xiàn)象成為常態(tài)。超載問題將會(huì)直接造成在役橋梁的損傷，削弱結(jié)構(gòu)的耐久性能，不同程度地造成橋梁承載力降低，甚至危及橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。為了在量化上說明超載車輛對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，就超載車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析具有一定現(xiàn)實(shí)意義和科研價(jià)值。

1 工程概況

本橋位于曹妃甸港區(qū)連接工業(yè)區(qū)與陸域的一號(hào)路上，是由規(guī)劃納潮河引起的改建工程，全橋總長(zhǎng)1 700 m。主橋跨徑為(80+128+80)m，全長(zhǎng)288 m，橋跨結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，橋墩采用板式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

橋梁橫斷面(半幅)布置形式為:2.25 m(人行道)+4.25 m(非機(jī)動(dòng)車道)+11.5 m(行車道)+1.25 m(中間帶)，總寬度為38.5 m。

斜拉索:采用扇形單索面體系、鋼絞線索，每根索采用43根φ15.24 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線。斜拉索布置在中央分隔帶上，塔根附近無索區(qū)梁長(zhǎng)約40.9 m，有索區(qū)長(zhǎng)約40.0 m，跨中無索區(qū)長(zhǎng)約7.1 m，邊跨無索區(qū)長(zhǎng)約19.7 m，塔上豎向索距0.9 m，梁上索距4.0 m，拉索采用雙排索，兩排索間距1.0 m。

橋塔:主塔采用鋼筋混凝土實(shí)心矩形截面，高度為18.0 m。橋塔截面為變截面，順橋向頂部寬2.6 m，下部寬3.0 m，橫橋向?qū)?.0 m。橋塔布置在中央分隔帶上，塔身斜拉索通過處設(shè)鞍座。

設(shè)計(jì)地震基本烈度7度;設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城—A級(jí)。納潮河大橋主橋的總體布置如圖1所示。

圖1 納潮河大橋主橋總體布置

2 不同交通流量荷載下的仿真分析

從目前的交通狀況和今后交通流量不斷增長(zhǎng)的情況考慮，模擬納潮河大橋主橋在不同的交通流量下的狀態(tài)，考察主要截面的應(yīng)力應(yīng)變、斜拉索的索力、主梁的撓度等變化情況，從而為橋梁管理部門提供依據(jù)。

對(duì)于交通流量的模擬，本文將模擬以下4種工況:①日交通流量1萬輛;②日交通流量2萬輛;③日交通流量5萬輛;④日交通流量10萬輛。

對(duì)于以上4種工況，因?yàn)樵摌驗(yàn)槭姓蛄?，其主要的車輛應(yīng)為2.6 t左右的家用轎車等，因此考慮平均單車重量30 kN，車輛荷載在16 h內(nèi)平均通過橋梁。

2.1 不同交通流量下的應(yīng)變變化

按照以上方法計(jì)算不同交通流量情況下主梁中跨跨中梁底應(yīng)變的變化，結(jié)果如表1所示。

從表1計(jì)算的結(jié)果來看，隨著交通流量增加，中跨跨中處的應(yīng)變也在逐漸變大，當(dāng)流量從1萬輛增加到5萬輛時(shí)，中跨跨中位置處的應(yīng)變?cè)黾恿?0×10－6(增長(zhǎng)將近300%)。這種情況是值得注意的，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)需要及時(shí)地對(duì)交通流量進(jìn)行控制，以免出現(xiàn)因長(zhǎng)期的過載而導(dǎo)致該橋部分構(gòu)件的損害。當(dāng)交通流量增加到10萬輛時(shí)，中跨跨中的應(yīng)變值達(dá)到了209×10－6，顯然超過了該處極限應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)變值182×10－6。如果以中跨跨中處應(yīng)變值的變化作為參照標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮納潮河大橋主橋的極限交通流量應(yīng)該在8萬輛左右。

表1 中跨跨中處應(yīng)變隨交通流量變化

2.2 不同交通流量下的索力變化

根據(jù)對(duì)該橋拉索索力變化的分析，選擇其中變化最大的C10號(hào)拉索作為分析對(duì)象，按照以上方法計(jì)算不同交通流量情況下C10號(hào)拉索的索力變化，結(jié)果如表2所示。

表2 C10號(hào)拉索索力隨交通流量變化

2.3 不同交通流量下的主梁撓度變化

按照以上方法計(jì)算不同交通流量情況下主梁中跨跨中處撓度的變化，結(jié)果如表3。

表3 中跨跨中撓度隨交通流量變化

從表3可以看出，隨著交通流量增加，橋梁主梁的撓度也隨著增加，當(dāng)流量從1萬輛增加到5萬輛時(shí)，撓度由33 mm增加到134 mm，增加近300%;當(dāng)交通量增加到10萬輛時(shí)，該橋中跨跨中處的撓度增加到了241 mm，已經(jīng)超過了該橋撓度的極限值213 mm。如果單從撓度方面考慮，可以計(jì)算出該橋的極限交通流量同樣是在8萬輛左右。

3 超載車輛過橋時(shí)的仿真分析

在橋梁荷載中，超載車輛的影響是非常明顯的。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)了解到該橋超載現(xiàn)象嚴(yán)重，橋梁的運(yùn)營(yíng)荷載要大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，超載引起的變形和應(yīng)力應(yīng)變均超過了設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的最大值。所以根據(jù)該橋的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及考慮城—A級(jí)荷載的車輛總重綜合分析，本文將簡(jiǎn)化模擬70，95和120 t三種車輛單車的超載情況。

根據(jù)納潮河大橋主橋荷載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，將橫橋向加載的位置定于主梁荷載試驗(yàn)中右偏載工況下最靠近外邊緣的位置，詳細(xì)位置如圖2所示。所選用的車輛與荷載車輛的標(biāo)準(zhǔn)相同。前中軸距為4.0 m，中后軸距為1.4 m，左右輪距為1.8 m。

圖2 橫橋向加載位置(單位:m)

計(jì)算的過程是:超載車的整個(gè)重量按照前中后3個(gè)車輪兩邊共6個(gè)作用點(diǎn)考慮，車輛從主橋的一端逐步移動(dòng)到另一端，然后計(jì)算主梁中跨跨中處的撓度，試圖從中跨跨中撓度對(duì)超載車輛的影響作出評(píng)價(jià)分析。

車輛縱橋向移動(dòng)位置編號(hào)如圖3所示。計(jì)算結(jié)果如表4和圖4所示。

圖3 縱橋向加載位置編號(hào)

表4 中跨跨中撓度隨車輛位置變化 mm

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，單臺(tái)重車通過橋梁時(shí)，70 t車輛荷載在5號(hào)位置時(shí)中跨跨中產(chǎn)生的撓度為7.61 mm，95 t車輛荷載在5號(hào)位置時(shí)中跨跨中產(chǎn)生的撓度為10.33 mm，120 t車輛荷載在5號(hào)位置時(shí)中跨跨中產(chǎn)生的撓度為13.05 mm。與上節(jié)中交通流量模擬分析結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)一輛120 t車輛荷載在中跨跨中位置產(chǎn)生的撓度占交通流量2萬輛時(shí)撓度70 mm的18.6%，也就是說一輛120 t的重車對(duì)橋梁的影響相當(dāng)于5 000輛標(biāo)準(zhǔn)車輛。這種影響應(yīng)該引起橋梁管理者的高度重視，即增加相應(yīng)的監(jiān)控手段，及時(shí)限制超載車過橋。

圖4 中跨跨中撓度隨車輛位置變化曲線

4 超載車輛不同車速對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析

車輛速度對(duì)橋梁的內(nèi)力與變形等具有一定的影響，本文將利用Midas/Civil有限元分析軟件，對(duì)該問題進(jìn)行模擬。

根據(jù)該橋的交通狀況，本文選取了20，40，60，100 km/h這4種車速工況來對(duì)其進(jìn)行分析。

由于車輛荷載作用在節(jié)點(diǎn)時(shí)是個(gè)瞬間作用后隨即消失的一種沖擊荷載，所以在本文中按照對(duì)現(xiàn)有交通流量的分析將其近似地模擬為最大值1 000 kN的三角形荷載，其中時(shí)間t1和t2間的時(shí)間差由車輛的速度和所建模型的節(jié)點(diǎn)間距來決定。

根據(jù)20 km/h車速下的變形圖(圖5)可以看出，該橋的最大位移出現(xiàn)在左邊跨跨中位置而不是中跨跨中位置，因此選取左邊跨跨中位置作為研究對(duì)象，來分析不同車速下超載車輛對(duì)橋梁變形的影響。

圖5 20 km/h車速下橋梁變形

計(jì)算表明:在質(zhì)量為100 t的車輛過橋情況下，低速行駛反而會(huì)對(duì)該橋的動(dòng)撓度產(chǎn)生更大的影響;車速?gòu)?0 km/h提升到60 km/h的過程中，其動(dòng)撓度值在逐漸減小，但是當(dāng)車速?gòu)?0 km/h提升到100 km/h時(shí)其動(dòng)撓度又有所提高。

計(jì)算顯示，在20 km/h車速下，該橋的最大彎矩出現(xiàn)在左塔附近的309號(hào)單元上，因此選取該單元作為研究對(duì)象，來分析不同車速下超載車輛對(duì)橋梁彎矩的影響。

計(jì)算表明:在質(zhì)量為100 t的車輛過橋情況下，低速行駛會(huì)對(duì)該橋的動(dòng)態(tài)彎矩值產(chǎn)生較大的影響;車速?gòu)?0 km/h提升到60 km/h的過程中，其彎矩值在逐漸減小，但是當(dāng)車速?gòu)?0 km/h提升到100 km/h時(shí)其彎矩值又有所提高，這與動(dòng)撓度的變化是一致的。

從以上分析我們可以看出，對(duì)于納潮河大橋主橋來說，超載車輛過橋其車速在20 km/h到40 km/h之間時(shí)，對(duì)該橋的影響較大，因此應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)靥岣哕囁?。而且該橋的最大?dòng)撓度是出現(xiàn)在左邊跨跨中，因此，希望橋梁管理者能夠?qū)υ撎幍膬?nèi)力響應(yīng)等結(jié)構(gòu)特性給予更大的關(guān)注。

5 結(jié)論

本文以所建有限元模型為基礎(chǔ)，模擬了納潮河大橋主橋在不同交通流量、不同超載車輛荷載作用情況下的工作狀態(tài)，得出了如下結(jié)論:

1)納潮河大橋主橋的極限交通流量大約在8萬輛左右，超量運(yùn)營(yíng)將會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的安全使用，降低橋梁的使用壽命。

2)單臺(tái)重車通過橋梁時(shí)，一輛120 t車輛荷載在中跨跨中產(chǎn)生的撓度占交通流量2萬輛時(shí)撓度70 mm的18.6%，也就是說一輛120 t的重車對(duì)橋梁的影響相當(dāng)于5 000輛標(biāo)準(zhǔn)車輛。

3)超載車輛的行駛速度在20～40 km/h范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)橋梁的影響較大，并且該橋梁的最大動(dòng)撓度出現(xiàn)在左邊跨跨中處。

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