車(chē)輛荷載作用下多箱室斜橋橫向分布系數(shù)研究

蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 甘肅蘭州 730070

摘要：通常情況下，為了提供更安全、更高速度的交通，盡可能的采用直橋。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近些年斜交橋的使用大大增加。斜交橋與直橋的力學(xué)行為不同[1]。在研究中，引入了大量的參數(shù)（包括跨徑、箱室數(shù)量、車(chē)道和傾斜角）以確定最大的正應(yīng)力分布因子和負(fù)應(yīng)力分布因子的影響因素及影響程度，并探討了多箱室斜橋沿跨中撓度的最大分布因子，采用SAP2000 模擬分析。

關(guān)鍵詞：斜交橋；車(chē)輛；荷載分布系數(shù)；有限元分析

Abstract：Under normal circumstances，in order to provide safer，higher-speed traffic，as far as possible using straight bridge.However，with the development of economy in recent years significantly increased use of skew bridges.Mechanical behavior of skew bridges with a straight bridge is different.In this study，introduces a number of parameters（including span number，box number，span and skew）to determine the maximum normal stress distribution factors of influencing factors and negative stress factors and effects，and discusses the enclosure maximum distribution of skew bridge along the mid-span deflection factor，SAP2000 analysis.Key words：skew bridges，vehicles，load distribution coefficient，finite element analysis.

Key words：skew bridges，vehicles，load distribution coefficient，finite element

1 引言

單箱多室混凝土箱梁橋是最常見(jiàn)的公路橋梁，這些橋梁擁有良好的扭轉(zhuǎn)剛度。而單箱多室斜交混凝土梁橋可以滿足自然或人為的障礙、復(fù)雜的交叉口和空間的限制等不利影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜交角小于30度時(shí)，可以忽略斜交角度的影響。但是在目前的橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有考慮二次元件，中間橫膈板的存在對(duì)剪力和彎矩分布有很大影響。此外，混凝土橋在較大活載作用下拉伸和撓度較大區(qū)域會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此，必須采用高拉伸強(qiáng)度的鋼筋。為此，應(yīng)該確定橋梁橫向和縱向的應(yīng)力分布和撓度變化。

本文主要是對(duì)混凝土連續(xù)斜交橋的最大撓度、拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分布因子進(jìn)行研究。并對(duì)橋梁活荷載分布因子有效參數(shù)的確定進(jìn)行了研究。這些參數(shù)包括：傾斜角、跨度、箱室的數(shù)量和車(chē)道數(shù)。

2 橋梁數(shù)值模擬

本文采用 SAP2000建立有限元模型進(jìn)行了分析。采用每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度的四節(jié)點(diǎn)三維殼單元模擬單箱室梁橋。頂部和底部的殼單元通過(guò)板單元連接以確保整體性。橫隔板均采用相同的尺寸，如圖1，2所示。圖3給出了用于橋梁分析中典型有限元模型。

在本文研究中所采用的車(chē)輛荷載是 AASHTO規(guī)范[2]所規(guī)定的荷載。采用用三維模型進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了得到最大應(yīng)力和最大撓度，車(chē)輛沿橫橋向布置為：第一輛車(chē)距橋梁邊緣 0.61 米，相鄰輪線的兩輛卡車(chē)相距 1.20 米。

3斜交橋應(yīng)力分布

若要確定斜交橋梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)的分布情況，必須找出橋梁上部結(jié)構(gòu)沿縱向和橫向兩個(gè)方向上的最大應(yīng)力位置。

圖4是傾斜角不變的情況下的橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況?？v軸代表橫向應(yīng)力的變化情況，橫軸代表縱向應(yīng)力變化情況，此外，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。從圖中可以看出，最大拉應(yīng)力（正應(yīng)力）出現(xiàn)在跨中截面處，最大壓應(yīng)力（負(fù)應(yīng)力）出現(xiàn)在中間支撐截面上。

圖5是橋梁結(jié)構(gòu)跨中和中間支撐底板處的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的變化情況。從圖中可以看出，最大應(yīng)力均位于腹板、底板和橫膈板相交處。

4分布系數(shù)

活荷載的橫向分布是橋梁設(shè)計(jì)和控制的重要組成部分。活荷載分布因子[3]通常通過(guò)下式計(jì)算得出：

其中： 為單車(chē)道荷載作用下該橋的最大內(nèi)力， 為對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)支梁在單車(chē)道作用下的最大內(nèi)力。

根據(jù)式（1），正應(yīng)力、負(fù)應(yīng)力及最大撓度分布因子為：在同一荷載作用下，有限元模型中獲得的最大響應(yīng)（最大應(yīng)力或者最大位移）與理想化的簡(jiǎn)支梁最大響應(yīng)的比值。下文將對(duì)影響分布系數(shù)的影響參數(shù)進(jìn)行研究。

5分布因子影響參數(shù)研究

參數(shù)化的研究[1，4]，主要是為了考察參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)最大撓度和最大應(yīng)力（包括拉應(yīng)力和壓應(yīng)力）的分布因子的影響。

（1）車(chē)道數(shù)量的影響

圖6是車(chē)道數(shù)量對(duì)單箱四室斜橋應(yīng)力分布因子的影響關(guān)系。從圖中可以看出，車(chē)道數(shù)量對(duì)最大正應(yīng)力和最大負(fù)應(yīng)力的分布系數(shù)的影響成正比，即：行車(chē)道越多，影響越大；反之，行車(chē)道越少，影響越小。例如，當(dāng)橋梁跨度為30米時(shí)，車(chē)道荷載數(shù)量從2增加到4的過(guò)程中，正應(yīng)力和負(fù)應(yīng)力的壓力分布系數(shù)分別增加了約25%和20%。

此外，可以看出：（1）小跨度對(duì)應(yīng)力分布因子的影響大于大跨度對(duì)應(yīng)力分布因子的影響；（2）跨度對(duì)最大負(fù)壓力分布因子的影響比正壓力分布因子的影響更大。

（2）箱室數(shù)量的影響

圖7是箱室數(shù)量對(duì)應(yīng)力分布因子的影響關(guān)系。從圖中可以看出，應(yīng)力分布因子隨箱增加數(shù)目而減小，這一減少是因?yàn)闃蛄嚎缍冗^(guò)小造成的。例如，橋梁跨徑為30米，箱室的數(shù)量從2個(gè)增加到4個(gè)時(shí)，正應(yīng)力分布因子和負(fù)應(yīng)力因子減小約 53%和 42%。

（3）斜交角的影響

圖8給出了支座的傾斜角度對(duì)斜交橋的應(yīng)力分布因子的影響，它是以斜交橋梁與相同跨度的規(guī)則橋梁分布因子的比值的形式給出的。Rs 和 Rd 分別代表應(yīng)力和撓度的比值。此方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果與設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載（可靠度分析法）無(wú)關(guān)，因此能夠應(yīng)用于其他類(lèi)型的橋結(jié)構(gòu)。

從圖8（a）中中可以得出結(jié)論，傾斜角度對(duì)跨徑較大的斜橋應(yīng)力分布因子的影響不顯著。因此，在橋梁正應(yīng)力分布系數(shù)的動(dòng)力學(xué)方程中可以忽略其影響。

與此相反的是，傾斜角度對(duì)跨徑較小的斜橋應(yīng)力分布因子有顯著的影響。例如：當(dāng)跨徑為30米時(shí)，Rs 從1.08 變化到 1.40；當(dāng)跨徑為90米時(shí)，Rs從 1.0 變化到到 1.19。因此，可以注意到傾斜角度對(duì)跨度較小的橋梁的影響更為顯著。

同理，傾斜角度對(duì)最大撓度分布因子的影響如圖圖 8（b）所示。很明顯，傾斜角度對(duì)撓度分布因子的影響與傾斜角度對(duì)應(yīng)力分布因子的影響剛好相反。同時(shí)，傾斜角度對(duì)跨徑較小的橋梁的最大撓度的分布因子的影響更為顯著。

（4）行車(chē)道數(shù)量和箱室數(shù)量對(duì)撓度分布因子的影響

圖9給出了車(chē)道數(shù)量和箱室數(shù)量對(duì)橋梁撓度分布因子箱的影響。從圖9（a）中可以看出，最大撓度分布因子與箱室數(shù)量成反比關(guān)系。同時(shí)，也可以看出跨徑對(duì)變形分布因子的影響，即：跨徑越大，影響越大；反之越小。與此相反，從圖9（b）中可以看出，最大撓度分布因子與車(chē)道數(shù)量成正比關(guān)系。而且，跨徑越大，影響也越顯著。

6結(jié)論

本文基于對(duì)現(xiàn)澆多箱室混凝土斜橋在車(chē)輛荷載作用下的橫向荷載分布影響參數(shù)的研究，得出了以下結(jié)論和結(jié)果：

（1）采用SAP2000進(jìn)行三維有限元建模能夠適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)斜交橋梁在車(chē)輛荷載作用下的行為。

（2）跨徑，傾斜角度，箱室的數(shù)量以及車(chē)道荷載數(shù)量是影響斜橋應(yīng)力和撓度分布因子的最關(guān)鍵的幾個(gè)參數(shù)。

（3）傾斜角度對(duì)正應(yīng)力分布系數(shù)的影響是可以忽略不計(jì)。同時(shí)，跨徑、傾斜角度、箱室的數(shù)量和車(chē)道荷載數(shù)量對(duì)分布因子的影響是耦合的，并不是單獨(dú)影響的。

參考文獻(xiàn)：

[1]Iman Mohseni* and A.Khalim Rashid .Transverse load distribution of skew cast-in-place concrete multicell box - girder bridges subjected to traffic condition.Latin Ameica Journal of Solids and Structures，2012.

[2]AASHTO，2008.American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Speci-fications：Customary US Units.5th Edition.，Washington，D.C

[3]Huo，X.and Zhang，Q.，2008.Effect of Skewness on the Distribution of Live Load Reaction at Piers of Skewed Continuous Bridges.Journal of Bridge Engineering，13：110.

[4]Barker，R.and Puckett，J.，1997.Design of highway bridges：based on AASHTO LRFD，bridge design specifications.Wiley- Interscience，New York，N.Y.

作者簡(jiǎn)介：

王學(xué)權(quán)（1990-），男，甘肅白銀人，碩士，專(zhuān)業(yè)方向：防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程.