典型軸載作用下小跨徑簡支梁橋響應特征分析

袁堂超， 吳柳杰， 包大海

(長安大學公路學院， 西安710064)

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典型軸載作用下小跨徑簡支梁橋響應特征分析

袁堂超， 吳柳杰， 包大海

(長安大學公路學院， 西安710064)

研究典型軸載作用下小跨徑簡支梁橋的受力特點，基于WIM數據確定典型軸載及其荷載參數，借助影響線加載方法及相關力學原理計算簡支梁橋在典型軸載作用下的正彎矩、剪力和位移響應，將其與《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)中的設計荷載效應進行比較，并以比值為分析對象，討論小跨徑簡支梁橋在典型軸載作用下的響應特征。分析結果表明：單軸荷載較相同載重量的雙聯軸、三聯軸對結構的荷載效應更為明顯，小跨徑簡支梁橋在典型軸載作用下的正彎矩、位移響應較剪力效應更為明顯，結構的強度安全由其抗彎強度控制，隨著跨徑增加，單軸荷載效應與設計荷載效應的比值單調遞減，而雙聯軸、三聯軸的荷載效應比值呈現先增后減的變化規律，峰值所對應跨徑為6 m～8 m。

橋梁工程；小跨徑簡支梁橋；典型軸載；影響線加載

引言

2014年9月30日，中華人民共和國交通運輸部發布《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)[1]，并于2015年1月1日起執行(文中簡稱“14標準”)，原《公路工程技術標準》(JTG B01-2003)[2]及其英文版、法文版同時廢止。14標準對原規范設計汽車荷載的車道荷載加載量值進行了明顯調整。

對于小跨徑簡支梁橋，如簡支空心板橋，由于結構跨徑較小，公路運輸中典型重載卡車荷載效應往往以軸載效應的形式體現，本文基于長期的交通流監測數據，確定公路運輸中的典型軸載[3-4]，并基于影響線加載[5]確定典型軸載效應，將其與14標準中的公路-I級設計荷載效應進行比較，基于比值的計算結果，分析典型軸載作用下小跨徑簡支梁橋的響應特點及隨跨徑的變化規律。

114 標準車道荷載加載量值規定

14標準車道荷載仍采用均布力與集中力的組合，如圖1所示。與原規范相比，14標準車道荷載的加載量值提高了對小跨徑橋梁的重視程度，在均布荷載標準值qk保持不變的前提下，集中荷載修改為式(1)的取值方法，在計算剪力效應時，將集中力乘以1.2。車道荷載的其他條文沿用原規范的相關規定。

圖114 標準車道荷載加載形式

(1)

2 基于監測數據的典型軸載參數確定

基于河北省宣大高速(2011.01～2012.06)、浙江省104國道(2013.04～2014.01)的交通流監測數據，忽略小轎車、客車及輕型卡車對結構的荷載效應，公路運輸中常見重載卡車的主要軸型如圖2所示。重載卡車中間軸距較長，該類車輛對小跨徑簡支梁橋(L≤20m)的荷載效應主要體現為后軸或中間軸的軸載效應，基于該調查結果確定典型軸載分別為：單軸、雙聯軸和三聯軸，其荷載組成如圖2所示。

圖2 公路運輸常見重載卡車軸型

2.1 兩聯軸、三聯軸軸距確定

典型軸載的荷載參數包括軸距與軸重，首先基于WIM(Weigh-in-Motion，動態稱重系統)[6-10]數據確定兩聯軸及三聯軸的軸距。兩聯軸和三聯軸實測軸距分布如圖3、圖4所示，取實測軸距分布的眾值作為典型軸載的軸距，即兩聯軸軸距為1.46m，由圖4可知三聯軸的兩軸距眾值分別為1.42m、1.41m，在分析時，統一取其軸距為1.41m。

圖3 兩聯軸實測軸距分布

圖4 三聯軸實測軸距分布

2.2 典型軸載軸重確定

為分析不同軸型對結構受力的影響，故在確定典型軸載軸重時，使得單軸、兩聯軸和三聯軸總軸重相等，各典型軸載的軸重取值如圖5所示。

圖5 典型軸載軸重

3 加載計算及結果分析

3.1 小跨徑橋梁跨徑選擇

根據14標準的建議，小跨徑橋梁應采用標準化跨徑、裝配式結構、機械化和工廠化施工，并給出了橋涵標準化跨徑，結合我國橋梁建設的實際情況及已有的《橋梁上部結構通用圖》[2]等資料，本文選擇跨徑為5m、6m、8m、10m、13m、16m和20m的簡支梁為研究對象，當跨徑超過20m時，整車荷載效應將代替典型軸載效應成為結構響應的主導因素。

3.2 設計荷載及典型軸載效應計算

以典型軸載荷載效應與公路-I級設計荷載效應的比值δ為分析對象。首先通過簡支梁的影響線加載計算公路-I級設計荷載效應，以跨徑l為單一變量，跨中截面設計正彎矩效應MD、位移效應ωD及支點截面設計剪力效應QD為[11-12]：

(2)

在典型軸載荷載效應計算時，使用k代替軸距，對于兩聯軸：k=1.46 m，對于三聯軸k=1.41 m，使用P0代表典型軸載的軸重，對于單軸：P0=300 kN，對于兩聯軸：P0=150 kN，對于三聯軸：P0=100 kN。仍以跨徑l為單一變量，推導簡支梁橋在典型軸載作用下關鍵截面響應的表達式。在單軸荷載、兩聯軸荷載和三聯軸荷載作用下，簡支梁橋跨中截面正彎矩效應、位移效應及支點截面剪力效應分別為：

(3)

(4)

(5)

3.3 δ計算及結果分析

基于設計荷載及典型軸載效應的計算結果，取δ=(典型軸載效應)/(設計荷載效應)，δ的表達式中仍是以l為單一變量，其表達式為：

(6)

(7)

(8)

基于以上分析，對以下3個問題進行討論：(1)三種典型軸載對結構荷載效應的差別；(2)簡支梁在外荷載作用下，各特征響應的顯著程度；(3)小跨徑簡支梁各種響應隨跨徑的變化規律。

(1)簡支梁橋在總重相等的單軸荷載、雙聯軸荷載和三聯軸荷載作用下的正彎矩響應、剪力響應和位移響應的對比結果如圖6所示。由圖6可知：單軸荷載效應大于雙聯軸效應和三聯軸效應，跨徑越小其響應差距越大，隨著跨徑的增大，其差距逐漸縮小，故在重載運輸中應盡力推廣多軸貨車的使用，該措施對小跨徑簡支梁橋的受力合理性意義較大。

圖6 正彎矩、剪力和位移δ值隨跨徑變化規律

(2)總重相等的單軸荷載、雙聯軸荷載和三聯軸荷載作用下簡支梁橋正彎矩效應、剪力效應和位移效應δ值的對比分析如圖7所示。由圖7可知：在單軸荷載作用下，位移響應較正彎矩響應和剪力響應更為明顯，在雙聯軸及三聯軸荷載作用下，簡支梁的跨中正彎矩響應最為明顯。簡支梁橋的強度破壞以抗彎和抗剪兩種為主。簡支梁的強度安全由其抗彎強度控制。此外盡管結構位移響應相對明顯，但根據已有研究結果[13-14]，其撓度值一般不會超越橋梁計算跨徑的1/600，結構的剛度能夠滿足運營需求。

圖7 正彎矩、剪力、位移響應相對明顯程度分析

(3)根據圖6、圖7可知：單軸荷載所產生的正彎矩、剪力和位移效應與設計荷載效應的比值隨跨徑的增加而單調減小，雙聯軸和三聯軸荷載所對應的比值隨著跨徑的增加呈現先增后減的趨勢，比值的峰值點約為l=6～8m。

4 結論

本文首先對14標準的車道荷載進行介紹，基于長期的交通荷載監測數據確定了典型軸載及其荷載參數；其次，基于影響線加載及相關力學原理推導了小跨徑簡支梁橋關鍵截面的正彎矩、剪力和位移效應計算公式；最后，對三種典型軸載荷載效應差異、簡支梁各特征響應的顯著程度及其隨跨徑的變化規律進行了討論，得到以下結論：

(1)在載重量相等的情況下，單軸荷載對簡支梁的荷載效應最為不利，其次為雙聯軸、三聯軸，推廣多軸貨運車輛可有效提高小跨徑簡支梁橋梁的運營安全。

(2)簡支梁橋在外荷載作用下的正彎矩響應、位移響應與設計荷載效應相比，較剪力響應更為明顯，小跨徑簡支梁橋在運營階段的強度安全性由其抗彎強度控制。

(3)隨著跨徑的增加，單軸荷載效應與設計荷載效應的比值單調減小，而雙聯軸與三聯軸荷載效應與設計荷載效應的比值先增后減，峰值位于l=6～8 m，在小跨徑橋梁的設計與運營維護中，應提高對6m、8m兩種跨徑橋梁的重視程度。

[1] JTG B01-2014,公路工程技術標準[S].

[2] 中華人民共和國交通運輸部.橋梁上部結構通用圖[M].北京:人民交通出版社,2007.

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[5] 李寧,孫遠,徐棟.簡支T梁橋影響線與影響面分析的差異[C]//第十九屆全國橋梁學術會議論文集(下冊).北京:人民交通出版社,2010.

[6] 張征文,楊飛,趙連峰,等.基于WIM數據的簡支梁橋車輛荷載效應分析[J].公路交通科技,2014,31(5):86-92.

[7] 盧九章.基于WIM的北京市G103國道車輛荷載模型研究[J].市政技術,2015,33(2):58-62.

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[14] 陳安洋.多地區重載交通下裝配式簡支T梁橋響應特征研究及安全評價[D].西安:長安大學,2014.

Response Characteristics Analysis of Small Span Simply Supported Beam Bridge Under Typical Axle Load

YUANTangchao,WULiujie,BAODahai

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shanxi)

In order to find out the bearing characteristics of small span simply supported bridges under typical axle load, the typical axle load and its load parameters were firstly ascertained based on WIM data. The method of influence line loading and some relevant mechanics principle were used to calculate the responses of sagging moment, shear and displacement of the bridge under typical axle load. The results were compared with the design load effect of JTG B01-2014. Thus the response characteristics were discussed based on the ratio. The result of analysis showed that, the load effect of single-axle is more obvious than that of double-axle and triple-axle with same load, the sagging moment and displacement effect is more obvious than shear effect by comparison, the strength safety of the structure is controlled by flexural strength, besides, the ratio of single-axis load effect and design load effect decreases with the increasing of bridge span, while the ratio of double-axle and triple-axle load effects increase before the span equal to 6 m～8 m, and later decrease with the increasing of span.

bridge engineering; small span simply supported bridge; typical axle load; influence line loading

2015-04-03

袁堂超(1989-)，男，山東臨沂人，碩士生，主要從事橋梁結構分析方面的研究，(E-mail)1158643160@qq.com

1673-1549(2015)03-0062-04

10.11863/j.suse.2015.03.13

U446

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