移動荷載作用對拱橋耐久性的影響

劉安勝 王學敏 劉建軍

摘 要：當前，我國交通運輸事業發展迅速，行車速度和車輛載重日益提高，移動車輛對橋梁結構的動力作用也越來越不容忽視。長期以來，橋梁設計都是基于靜力結構進行分析，重點放在各種荷載作用下結構的靜強度要求，對行車產生的動力交變荷載的影響并未足夠重視。較大的動力交變荷載會引起結構構件疲勞和耐久性降低，從而影響橋梁的使用壽命。本文采用數值模擬的方法進行建模分析。有關報告顯示，40%的拱橋在荷載試驗時沖擊系數都在1.4以上，車輛通過時振動感明顯。構件在長期交變荷載作用下產生的裂縫和其他損壞，往往與許多因素耦合在一起，最終導致混凝土構件鋼筋銹蝕等而引發安全事故。

關鍵詞：靜力分析;移動交變荷載;耐久性

拱橋是公路建設中采用最多的橋型之一。在我國西南部地區，山高谷深，地勢起伏大，地質條件良好，修建大跨徑鋼筋混凝土拱橋能較好地適應山區地形，充分利用巖石地基的承載能力，且結構造型美觀，易與周圍環境相協調，后期養護費用低，因而與其它橋型相比往往具有明顯的優勢，因此研究移動荷載對其動力性能和耐久性的影響，對于拱橋的設計、施工、運營具有指導意義。

但是在移動荷載的作用下，由于移動荷載的特性——大小、方向基本保持不變，作用點隨著荷載的移動而改變，荷載位置的變化，而引起結構各處的反力、內力、位移等的變化，當荷載處在某一位置時，會對結構產生最不利影響。在最不利位置突然啟動、緊急制動等會使結構的破壞加劇，不同的結構產生的損傷各有不同。對于鋼橋，損傷嚴重的是鋼構件之間的連接，對于系桿拱橋，則主要造成吊桿的失效。

1工程概況

本文以貴州某高速上一座上承式鋼筋混凝土拱橋為依托，橋型布置如圖1所示。拱軸系數為1.756，主橋采用跨徑組合為30m+125m+30m的上承式鋼筋混凝土拱橋，計算矢跨為125m，矢高25m，矢跨比。

2結構模型的建立及計算

根據設計圖紙，利用Midas2019建立有限元模型，對拱橋的受力進行數值模擬，分析靜力荷載作用下結構的內力、位移等參數值，并對移動荷載（車輛荷載）作用下結構的內力以及位移等進行分析，對比在移動荷載（車輛荷載）和靜力荷載作用下的結構受力變化，以及移動荷載最不利位置結構內力、位移值變化。

2.1只在靜力荷載作用下

當荷載只承受靜力荷載時，此時結構的反力、內力及應力如圖所示。

2.2在靜力荷載及移動荷載共同作用下

3計算結果分析

由計算數據可得，結構在靜力荷載作用下和靜力荷載加移動荷載作用下的受力情況有所不同。具體表現在：靜力荷載加移動荷載作用下拱腳處豎向的最大支反力為39721.4KN，水平推力最大值為45231.1KN;只在靜力荷載作用下拱腳處豎向的最大支反力為38219KN，水平推力最大值為43485.9KN，豎向最大支反力的增長幅度為3.93%，水平推力的增長幅度為4.01%。靜力荷載加移動荷載作用下主拱圈的最大正彎矩值21310.2KNm，負彎矩最大值為-7430.12KNm;只在靜力荷載作用下正彎矩最大值為16021.7KNm，負彎矩最大值為-12599.6KNm（“-”只表示方向）。由于移動荷載的作用，使正彎矩增加了33.0%，負彎矩反而減小了69.6%。在靜力荷載加移動荷載作用下拱圈處于全截面受壓狀態，最大壓應力值為8900.64KPa，只在靜力荷載作用下的最大壓應力值為9495.55KPa，在移動荷載加靜力荷載作用下應力減小了6.68%。在靜力荷載加移動荷載作用下拱圈拱頂的的位移值與只在靜力荷載作用下相比變化不大。

4 結論

由以上數據分析得出，移動荷載對于橋梁結構物的作用表現在不是單一的作用，它是與其他作用耦合在一起，可能對結構的某些方面產生不利影響，也可能產生利于結構的影響。

在移動交變荷載的作用下，對橋面板結構的影響表現在造成橋面板破損、鋪裝層開裂，導致鋪裝結構劣化嚴重，進而影響主體結構的受力安全。由于鋪裝層的破損，導致雨水下滲以及其他雜質侵襲橋梁結構主體，導致鋼筋銹蝕，保護層脫落，主體結構進一步暴露自然環境中，加劇主體結構的破壞。

參考文獻：

[1]JTG D60-2004（條文說明）， 公路橋涵設計通用規范[S].

[2]姚玲森，顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[3]邵旭東.橋梁設計與計算[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]陳寶春，葉琳.我國混凝土拱橋現狀調查與發展方向分析[J].中外公路，2008（02）：89-96.

[5]黃繩武.橋梁施工及組織管理（上冊）[M].北京：人民交通出版社，2006.