施工階段π形斷面斜拉橋在特種車輛作用下的應力研究

方新潮，王 俊，謝澤恩

(1.中咨華科交通建設技術有限公司，北京 100089；2.長安大學，陜西 西安 710064)

0 引言

在橋梁建設過程中，梁段預制廠與橋位可能相距較遠且只布置在橋址一側。考慮到建設和運輸成本，需要從新建橋上通過特種車輛以節約成本造價。通常情況下，建設方會選擇橋中心進行特種車輛的運輸，但考慮到橋梁斷面形式為π形斷面，該斷面中間部位較為薄弱，特種車輛經過可能會產生較大應力，從而導致橋梁出現裂縫，造成不必要的經濟損失，甚至是安全事故，因此有必要對特種車輛作用下的π形斜拉橋的響應進行研究[1-3]。

Fu[4]等分析了客貨車等活載對橋梁的作用；Kwon[5]等研究了AASHTO LRFD橋梁設計規范中卡車荷載作用下橋梁的響應；宗雪梅[6]等調查分析了超重荷載對公路橋梁的影響，給出了超載和超限的函數關系。綜上所述，目前，對特種車輛過橋的問題研究較少。

本文以某π形截面斜拉橋為研究對象，針對該斜拉橋在合龍后的施工階段，采用特種車輛運輸超重物件時，分析主梁的應力分布規律，并以此來判斷特種車過橋時的安全性。通過建立有限元模型，模擬特種車輛不同車軸數以及行駛路線，并將有限元模型中的計算結果進行對比分析，以此研究上述兩種因素變化對于π形斷面橋梁的順橋向應力影響。

1 工程背景

研究對象為雙塔整幅混凝土梁斜拉橋，跨徑布置為(90+210+90)m=390 m，邊中跨比為0.43。斜拉索采用空間索面布置，梁端標準索間距為8.0 m，邊跨靠近尾索區索間距為5.3 m。主梁采用C55混凝土，軸心抗拉強度設計值為1.89 MPa[7]。索塔塔柱采用混凝土(C50)門式塔，總高為85.127 m，由下塔柱、上塔柱、上橫梁和下橫梁組成。索塔采用啞鈴型承臺，樁基采用C35海工混凝土，均為嵌巖樁且伸入承臺0.2 m。橋型布置如圖1所示，π形斷面尺寸如圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(mm)

圖2 主梁橫斷面圖(cm)

2 工況設計

2.1 軸重工況

考慮五軸車和50 m T梁、八軸車和50 m T梁兩種計算工況，分析特種車輛沿橋梁中心線行進時的主梁應力。八軸車布置，如圖3所示。

圖3 車軸布置示意圖(mm)

2.2 車道工況

由于ANSYS軟件建立的實體有限元模型可以較好地分析局部應力分布，因此利用ANSYS計算特種車輛沿不同車道行進時的主梁應力(僅考慮車輛單獨產生的應力)。車道布置如圖4所示，車道工況如表1所示。

表1 車道工況表

(a)工況1

3 有限元模型

3.1 Midas單梁模型

Midas Civil的有限元模型共有739個節點、500個梁單元、96個桁架單元、12個彈性連接、102個剛性連接、40個一般支撐。具體建模方法為：(1)采用空間梁單元模擬橋塔、主梁、承臺以及樁基礎；(2)采用空間桁架單元模擬斜拉索；(3)采用剛性連接來模擬斜拉索與主梁之間的連接；(4)采用彈性連接來模擬支座；(5)其他邊界條件采用支撐條件模擬。如圖5所示。

圖5 MIDAS有限元模型圖

3.2 ANSYS實體模型

ANSYS的有限元模型共有63 190個節點、326個梁單元、31 326個實體單元、1 468個桿單元。具體建模方法為：(1)用Beam4單元模擬橋塔、承臺以及剛臂；(2)用Link10單元模擬斜拉索；(3)用Link8單元模擬縱、橫向預應力鋼束；(4)用shell63單元模擬橫隔板；(5)用solid45單元模擬π型主梁。如圖6所示。

圖6 ANSYS有限元模型圖

3.3 模型檢驗

由關鍵振型和主梁跨中撓度的對比結果可知：該橋的ANSYS實體模型與Midas Civil單梁模型的誤差較小，如表2 和表3 所示，驗證了兩套模型的可靠性。因此，將ANSYS有限元模型用于局部應力分析。

表2 關鍵振型對比結果表

表3 主梁跨中撓度對比結果表

4 分析討論

4.1 軸重影響

由Midas模型計算軸重工況下的主梁應力分布和跨中撓度，如圖7～10所示，僅考慮車輛沿車道1行進。

五軸車和50 m T梁的計算參數為：總重247 t、軸重24.7 t、軸距1.3 m、輪距2.89 m。該工況下，撓度驗算得出最大撓度值為57.3 mm，根據跨徑算得限值為350 mm，故滿足撓度驗算要求[2](見圖7～8)。

圖7 五軸車+50 m T梁最不利荷載組合的主梁上緣最大包絡應力圖(MPa)

八軸車和50 m T梁的計算參數為：總重264 t、軸重16.5 t、軸距1.24～1.50 m、輪距3.22 m。該工況下，主梁應力分布如圖9～10所示，撓度驗算得最大撓度值為60.2 mm，根據跨徑算得限值為350 mm，故滿足撓度驗算要求[2]。

圖8 五軸車+50 m T梁最不利荷載組合的主梁下緣最小包絡應力圖(MPa)

圖 9 八軸車+50 m T梁最不利荷載組合的主梁上緣最大包絡應力圖(MPa)

圖10 八軸車+50 m T梁最不利荷載組合的主梁下緣最小包絡應力圖(MPa)

根據Midas Civil軟件的計算結果，在不同軸重和軸距的工況下，主梁的上、下緣的最大拉、壓應力均滿足承載能力要求。結果如表4所示。

表4 主梁應力驗算結果表

4.2 車道影響

4.2.1 順橋向應力

根據表1，使用ANSYS模型分析特種車輛沿不同車道行進對關鍵截面順橋向應力的影響，如圖11～13所示。研究發現：特種車輛沿硬路肩行駛時，所產生的頂板截面的順橋向應力最小，這一點可能與π形斷面的結構特點有關；五軸車和八軸車對關鍵截面順橋向應力的影響規律大致相同。

(a) 五軸車+50 m T梁

4.2.2 橫向應力

使用ANSYS模型分析特種車輛沿不同車道行進對關鍵截面橫向應力的影響，如后頁圖14～16所示。研究發現：特種車輛沿硬路肩行駛時，所產生的橫向拉應力是所有工況中最小的；在運輸50 m T梁時，五軸車產生的橫向拉應力大于八軸車產生的橫向拉應力；頂板截面的橫向應力小于順橋向應力。

(a) 五軸車+50 m T梁

(a) 五軸車+50 m T梁

(a) 五軸車+50 m

(a) 五軸車+50 m T梁

(a) 五軸車+50 m T梁

4.2.3 扭轉角度

使用ANSYS模型分析特種車輛沿不同車道行進對主梁扭轉角度的影響，如圖17所示。研究發現：沿硬路肩行駛時，扭轉角度最大；沿橋軸線行駛時，扭轉角度最小；特種車輛沿不同車道行進時，跨中扭轉角度最大。其中，八軸車+50 m T梁產生的扭轉角度為0.117°，五軸車+50 m T梁產生的扭轉角度為0.106°。

(a) 五軸車+50 m T梁

4.3 結果疊加

結合Midas Civil和ANSYS軟件的分析結果，根據疊加原理，不同工況下的按標準組合包絡的主梁關鍵截面的順橋向應力變化情況如表5所示：

表5 主梁關鍵截面的順橋向應力表

5 結語

本文利用Midas Civil和ANSYS軟件，分析了某橋在特種車作用下的應力分布規律，研究發現：

使用Midas Civil軟件的單梁模型計算特種車輛沿主梁軸線行進滿足抗裂性要求，使用ANSYS軟件的實體模型計算特種車輛沿不同車道行進，局部應力超出限值；主梁的順橋向應力隨著特種車輛車軸數的增加而減小；特種車沿硬路肩行進時主梁的應力響應最小。