方新潮，王 俊，謝澤恩

(1.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100089；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064)

0 引言

在橋梁建設(shè)過(guò)程中，梁段預(yù)制廠與橋位可能相距較遠(yuǎn)且只布置在橋址一側(cè)?？紤]到建設(shè)和運(yùn)輸成本，需要從新建橋上通過(guò)特種車輛以節(jié)約成本造價(jià)。通常情況下，建設(shè)方會(huì)選擇橋中心進(jìn)行特種車輛的運(yùn)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(jīng)過(guò)可能會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，從而導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)裂縫，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，甚至是安全事故，因此有必要對(duì)特種車輛作用下的π形斜拉橋的響應(yīng)進(jìn)行研究[1-3]。

Fu[4]等分析了客貨車等活載對(duì)橋梁的作用；Kwon[5]等研究了AASHTO LRFD橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中卡車荷載作用下橋梁的響應(yīng)；宗雪梅[6]等調(diào)查分析了超重荷載對(duì)公路橋梁的影響，給出了超載和超限的函數(shù)關(guān)系。綜上所述，目前，對(duì)特種車輛過(guò)橋的問(wèn)題研究較少。

本文以某π形截面斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，針對(duì)該斜拉橋在合龍后的施工階段，采用特種車輛運(yùn)輸超重物件時(shí)，分析主梁的應(yīng)力分布規(guī)律，并以此來(lái)判斷特種車過(guò)橋時(shí)的安全性。通過(guò)建立有限元模型，模擬特種車輛不同車軸數(shù)以及行駛路線，并將有限元模型中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以此研究上述兩種因素變化對(duì)于π形斷面橋梁的順橋向應(yīng)力影響。

1 工程背景

研究對(duì)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(biāo)準(zhǔn)索間距為8.0 m，邊跨靠近尾索區(qū)索間距為5.3 m。主梁采用C55混凝土，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(tái)，樁基采用C35海工混凝土，均為嵌巖樁且伸入承臺(tái)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(shè)計(jì)

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(jì)算工況，分析特種車輛沿橋梁中心線行進(jìn)時(shí)的主梁應(yīng)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(shí)體有限元模型可以較好地分析局部應(yīng)力分布，因此利用ANSYS計(jì)算特種車輛沿不同車道行進(jìn)時(shí)的主梁應(yīng)力(僅考慮車輛單獨(dú)產(chǎn)生的應(yīng)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(gè)節(jié)點(diǎn)、500個(gè)梁?jiǎn)卧?6個(gè)桁架單元、12個(gè)彈性連接、102個(gè)剛性連接、40個(gè)一般支撐。具體建模方法為：(1)采用空間梁?jiǎn)卧M橋塔、主梁、承臺(tái)以及樁基礎(chǔ)；(2)采用空間桁架單元模擬斜拉索；(3)采用剛性連接來(lái)模擬斜拉索與主梁之間的連接；(4)采用彈性連接來(lái)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(shí)體模型

ANSYS的有限元模型共有63 190個(gè)節(jié)點(diǎn)、326個(gè)梁?jiǎn)卧?1 326個(gè)實(shí)體單元、1 468個(gè)桿單元。具體建模方法為：(1)用Beam4單元模擬橋塔、承臺(tái)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(yù)應(yīng)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(yàn)

由關(guān)鍵振型和主梁跨中撓度的對(duì)比結(jié)果可知：該橋的ANSYS實(shí)體模型與Midas Civil單梁模型的誤差較小，如表2 和表3 所示，驗(yàn)證了兩套模型的可靠性。因此，將ANSYS有限元模型用于局部應(yīng)力分析。

表2 關(guān)鍵振型對(duì)比結(jié)果表

表3 主梁跨中撓度對(duì)比結(jié)果表

4 分析討論

4.1 軸重影響

由Midas模型計(jì)算軸重工況下的主梁應(yīng)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(jìn)。

五軸車和50 m T梁的計(jì)算參數(shù)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(yàn)算得出最大撓度值為57.3 mm，根據(jù)跨徑算得限值為350 mm，故滿足撓度驗(yàn)算要求[2](見(jiàn)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(luò)應(yīng)力圖(MPa)

八軸車和50 m T梁的計(jì)算參數(shù)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(yīng)力分布如圖9～10所示，撓度驗(yàn)算得最大撓度值為60.2 mm，根據(jù)跨徑算得限值為350 mm，故滿足撓度驗(yàn)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(luò)應(yīng)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(luò)應(yīng)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(luò)應(yīng)力圖(MPa)

根據(jù)Midas Civil軟件的計(jì)算結(jié)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(yīng)力均滿足承載能力要求。結(jié)果如表4所示。

表4 主梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表

4.2 車道影響

4.2.1 順橋向應(yīng)力

根據(jù)表1，使用ANSYS模型分析特種車輛沿不同車道行進(jìn)對(duì)關(guān)鍵截面順橋向應(yīng)力的影響，如圖11～13所示。研究發(fā)現(xiàn)：特種車輛沿硬路肩行駛時(shí)，所產(chǎn)生的頂板截面的順橋向應(yīng)力最小，這一點(diǎn)可能與π形斷面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)；五軸車和八軸車對(duì)關(guān)鍵截面順橋向應(yīng)力的影響規(guī)律大致相同。

(a) 五軸車+50 m T梁

4.2.2 橫向應(yīng)力

使用ANSYS模型分析特種車輛沿不同車道行進(jìn)對(duì)關(guān)鍵截面橫向應(yīng)力的影響，如后頁(yè)圖14～16所示。研究發(fā)現(xiàn)：特種車輛沿硬路肩行駛時(shí)，所產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力是所有工況中最小的；在運(yùn)輸50 m T梁時(shí)，五軸車產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力大于八軸車產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力；頂板截面的橫向應(yīng)力小于順橋向應(yīng)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(zhuǎn)角度

使用ANSYS模型分析特種車輛沿不同車道行進(jìn)對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)角度的影響，如圖17所示。研究發(fā)現(xiàn)：沿硬路肩行駛時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度最大；沿橋軸線行駛時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度最??；特種車輛沿不同車道行進(jìn)時(shí)，跨中扭轉(zhuǎn)角度最大。其中，八軸車+50 m T梁產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度為0.117°，五軸車+50 m T梁產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度為0.106°。

(a) 五軸車+50 m T梁

4.3 結(jié)果疊加

結(jié)合Midas Civil和ANSYS軟件的分析結(jié)果，根據(jù)疊加原理，不同工況下的按標(biāo)準(zhǔn)組合包絡(luò)的主梁關(guān)鍵截面的順橋向應(yīng)力變化情況如表5所示：

表5 主梁關(guān)鍵截面的順橋向應(yīng)力表

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Midas Civil和ANSYS軟件，分析了某橋在特種車作用下的應(yīng)力分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：

使用Midas Civil軟件的單梁模型計(jì)算特種車輛沿主梁軸線行進(jìn)滿足抗裂性要求，使用ANSYS軟件的實(shí)體模型計(jì)算特種車輛沿不同車道行進(jìn)，局部應(yīng)力超出限值；主梁的順橋向應(yīng)力隨著特種車輛車軸數(shù)的增加而減??；特種車沿硬路肩行進(jìn)時(shí)主梁的應(yīng)力響應(yīng)最小。