重載交通作用下橋梁結(jié)構(gòu)承載能力研究

王 超

（廣東冠粵路橋有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在承受超極限的車輛荷載作用時(shí)，穩(wěn)定性和耐久性均下降，安全隱患激增。出于安全考慮，該文建立有限元模型，模擬分析橋梁在不同超載貨車通行時(shí)的受力特性，評(píng)估橋梁使用過(guò)程中在各工況下的安全狀況，掌握橋梁的具體特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上針對(duì)性地采取橋梁安全防護(hù)措施[1]。相比以標(biāo)準(zhǔn)車型、標(biāo)準(zhǔn)荷載為依據(jù)的模擬方法，有限元模型建模分析方法獲得的結(jié)果更加全面與科學(xué)，可行性較高，具有探討的必要。

1 公路橋梁承載能力檢測(cè)概述

經(jīng)實(shí)物調(diào)查、荷載實(shí)驗(yàn)、分析計(jì)算后，確定橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，綜合考慮橋梁在各工況下的實(shí)際使用情況，檢驗(yàn)橋梁的承載能力，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果采取加強(qiáng)防護(hù)措施，保證城市橋梁的安全使用[2]。城市橋梁承載能力的檢測(cè)項(xiàng)目包含結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)是否存在裂縫或其他形式的病害、地基和基礎(chǔ)等，經(jīng)過(guò)全方位檢測(cè)后，全面匯總檢測(cè)結(jié)果，對(duì)橋梁承載能力做客觀的判斷[3]。

2 公路橋梁結(jié)構(gòu)承載能力檢測(cè)的目的

橋梁建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，一系列新型橋梁應(yīng)運(yùn)而生，橋梁總體施工水平有所進(jìn)步，但橋梁建設(shè)較為復(fù)雜，存在諸多對(duì)工程質(zhì)量造成影響的因素，可能導(dǎo)致橋梁建成后難以安全使用。同時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展，道路車流量增加，車輛重載化趨勢(shì)明顯，部分既有橋梁難以承受日益增加的車輛荷載作用[4]。為掌握橋梁的使用效果，需要進(jìn)行橋梁檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)橋梁的質(zhì)量，其中承載力則屬于重要的檢測(cè)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)橋梁承載力檢測(cè)后，獲得的檢測(cè)結(jié)果可作為竣工驗(yàn)收的依據(jù)，同時(shí)也能夠從中總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)提高橋梁的建設(shè)水平。對(duì)于正處于使用階段的橋梁，經(jīng)過(guò)承載力檢測(cè)后，可評(píng)價(jià)橋梁的承載能力以及使用狀況，確定橋梁結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，判斷橋梁在不同工況下的具體表現(xiàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果主動(dòng)采取防控措施，以免出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題或安全事故。對(duì)于有明顯損傷的橋梁、存在特種荷載作用的橋梁、需提高結(jié)構(gòu)承載力的橋梁、技術(shù)資料缺失的橋梁以及運(yùn)營(yíng)條件出現(xiàn)明顯變化的橋梁，均可進(jìn)行承載力檢測(cè)，產(chǎn)生的檢測(cè)結(jié)果對(duì)工程施工活動(dòng)和管理活動(dòng)的開展有重要的指導(dǎo)作用[5]。

3 橋梁有限元模型的構(gòu)建及可行性分析

以漠陽(yáng)江特大橋?yàn)槔M(jìn)行橋梁有限元模型的建立并對(duì)其可行性進(jìn)行分析。橋梁位于陽(yáng)江市江城區(qū)，為公路Ⅰ-級(jí)的箱梁橋，橋址區(qū)地勢(shì)較為平坦，上部采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部為實(shí)體墩和柱式墩。

橋梁有限元模型的建立采用Midas FEANX 軟件，主梁?jiǎn)卧愋蜑閷?shí)體單元。橋梁整體截面高度較小，橋面鋪裝層對(duì)主梁慣性矩產(chǎn)生影響，在建模時(shí)要考慮橋面鋪裝的作用；暫不考慮瀝青磨耗層的影響，將橋梁頂板和鋪裝層視為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；主梁的翼緣板與箱梁的現(xiàn)澆接縫的連接剛度較大，建模時(shí)將兩者視為整體。對(duì)橋梁實(shí)體結(jié)構(gòu)做精細(xì)化模擬。在建立實(shí)體有限元模型后，用Midas Civil 軟件建立梁格模型進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷其是否具有可行性。

在梁格法模型和實(shí)體有限元模型的不同位置施加相同荷載，判斷各板（梁）是否存在位移以及存在位移時(shí)的具體程度，對(duì)比分析后評(píng)價(jià)兩者的相似程度，判斷梁格法模型的可行性。

加載工況考慮如下2 種：

工況1：在3#梁跨中施加1 000 kN 的集中力，即中載作用。

工況2：在1#梁跨中施加1 000 kN 的集中力，即偏載作用。

在確定2 種加載工況后，進(jìn)行建模分析。每片梁在兩種模型中的位移對(duì)比結(jié)果如圖1 所示。

圖1 兩種模型的位移對(duì)比圖

根據(jù)位移曲線可掌握模型的位移變化特點(diǎn)，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性，兩種工況下的位移誤差均不超過(guò)5%。由此表明，梁格法模型的可行性較高，可針對(duì)此模型做進(jìn)一步的分析。

4 重載交通作用下的橋梁荷載效應(yīng)

以橋梁關(guān)鍵截面的內(nèi)力效應(yīng)為主要的分析對(duì)象，研究不同荷載條件下各梁的內(nèi)力效應(yīng)。

每片板（梁）支座處的剪應(yīng)力效應(yīng)、跨中的位移效應(yīng)及正彎矩效應(yīng)等均采用Matlab 批量化計(jì)算的方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制時(shí)程曲線圖，如圖2 所示。板（梁）在重載時(shí)的最不利響應(yīng)則對(duì)應(yīng)的是時(shí)程曲線的峰值，因此可根據(jù)時(shí)程曲線確定板（梁）在重載時(shí)的最不利響應(yīng)。經(jīng)過(guò)對(duì)特征響應(yīng)的分析后，評(píng)價(jià)重車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的空間響應(yīng)特征。以該工程的標(biāo)準(zhǔn)橋型梁橋?yàn)槔?，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征值如圖3 所示。分析發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)的空間響應(yīng)水平隨著橋梁跨徑的增加而加大，但無(wú)論橋梁跨徑如何變化，橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的變化趨勢(shì)并不會(huì)因此而發(fā)生改變。

圖2 正彎矩響應(yīng)時(shí)程曲線

圖3 不同跨徑下橋梁空間結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征值

5 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力響應(yīng)特征

在分析重車荷載作用下橋梁各片板（梁）的效應(yīng)特征時(shí)，分析對(duì)象著重考慮正彎矩效應(yīng)和剪力效應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)橋型的各片板（梁）的最不利正彎矩響應(yīng)和最不利剪應(yīng)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，如表1、表2 所示。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)正彎矩效應(yīng)響應(yīng)特征分析

表2 橋梁結(jié)構(gòu)剪力效應(yīng)響應(yīng)特征分析

6 重載交通作用下橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力

承載能力分析時(shí)考慮的工況是橋梁一般服役狀態(tài)及重載交通作用，涉及的指標(biāo)為關(guān)鍵截面的荷載效應(yīng)組合與正彎矩效應(yīng)的抗力值，根據(jù)兩項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)橋梁承載能力安全性。橋梁結(jié)構(gòu)在重車通過(guò)時(shí)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，如下：

式中，RGik——恒載效應(yīng)，λGi=1.2；RQ1k——汽車荷載效應(yīng)；RQjk（j≥2）——其他可變荷載效應(yīng)（除汽車荷載效應(yīng)外），λQj=1.4；根據(jù)RQjk（j≥2）的數(shù)量予以確定，P——橋梁結(jié)構(gòu)抗力。

在前述提及的公式（1）中，重車通過(guò)時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的最大彎矩效應(yīng)屬于整個(gè)公式中的唯一變量，結(jié)構(gòu)的恒載效應(yīng)、溫差效應(yīng)等均視為常量處理。對(duì)于重車荷載作用下不同跨徑橋梁的彎矩承載能力，此指標(biāo)的極值和均值均呈一定程度的波動(dòng)，但從影響機(jī)制的角度來(lái)看，此變化與橋梁跨徑無(wú)關(guān)。以重車荷載作用下的連續(xù)箱梁為例，彎矩承載能力的均值約為0.58，極值在1.0 以內(nèi)，由此可以確定的是橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載能力在重車荷載作用之上，即重車荷載的作用在橋梁可承受的范圍內(nèi)。

7 橋梁車輛限載問(wèn)題的處理

橋梁車輛超限相關(guān)問(wèn)題的分析采用的是可靠度理論，在分析全過(guò)程中，建立極限狀態(tài)方程屬于重要內(nèi)容，其中主要隨機(jī)變量的分布類型及參數(shù)對(duì)方程建立狀況產(chǎn)生明顯的影響，因此合理選擇隨機(jī)變量的分布類型及參數(shù)至關(guān)重要。此外，還需根據(jù)目標(biāo)可靠指標(biāo)反推重車荷載分布，再進(jìn)一步視荷載分布條件確定正彎矩效應(yīng)的范圍。在進(jìn)行橋梁車輛超限問(wèn)題的分析時(shí)，隨機(jī)變量主要考慮的是結(jié)構(gòu)自身抗力、荷載作用效應(yīng)和重車荷載效應(yīng)。按照前述描述的思路，建立極限狀態(tài)方程如下：

式中，R——結(jié)構(gòu)抗力；G——恒載效應(yīng)；Q——重車荷載作用；m——其他荷載效應(yīng)。

正彎矩效應(yīng)閾值取正彎矩效應(yīng)分布的均值，即0.2~0.7，控制變量為變化梯度為0.1 的變異系數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定正彎矩效應(yīng)閾值，具體如圖4 所示。

圖4 不同變異系數(shù)對(duì)應(yīng)的正彎矩效應(yīng)閾值

根據(jù)圖4 可知，變異系數(shù)的增加將帶來(lái)正彎矩效應(yīng)閾值的下降，且呈現(xiàn)出明顯降低的變化趨勢(shì)，可見不同變異系數(shù)所帶來(lái)的計(jì)算結(jié)果不盡相同，變異系數(shù)屬于對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響的關(guān)鍵因素，合理選取變異系數(shù)至關(guān)重要。根據(jù)綜合性和全面性的要求予以選擇，在保證變異系數(shù)的合理性后，有助于獲得準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在該文的研究中，利用空間梁格法建立橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，將其與實(shí)體有限元模型加以對(duì)比，評(píng)價(jià)模型的可行性以及該建模方法的適用性。研究過(guò)程中，在建立梁格有限元模型后，用Midas 計(jì)算橋梁板（梁）的空間響應(yīng)特征及其他相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而從橋梁內(nèi)力、結(jié)構(gòu)承載性能、抗裂性能多個(gè)方面對(duì)重載交通環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)研究后得出相關(guān)結(jié)論，具體作如下總結(jié)：

（1）在相同橋型時(shí)，橋梁跨徑的增加將帶來(lái)重車荷載響應(yīng)水平的提高，但無(wú)論橋梁跨徑如何變化，橋梁響應(yīng)特征的變化趨勢(shì)始終未受到其影響。

（2）連續(xù)箱梁橋的板（梁）的極值響應(yīng)呈單峰特性，且通過(guò)與剪力極值響應(yīng)特征的對(duì)比分析可知，正彎矩極值響應(yīng)特征與之存在差別。

（3）車輛行駛規(guī)律對(duì)橋梁板（梁）的平均響應(yīng)水平有明顯的影響，3 號(hào)梁具有平均響應(yīng)水平最高的特點(diǎn)。

（4）基于梁格法建立的有限元模型在分析重載交通作用下橋梁結(jié)構(gòu)承載能力時(shí)具有可行性，在類似的橋梁結(jié)構(gòu)承載性能分析工作中可引入此類方法，予以靈活應(yīng)用。