典型軸載作用下小跨徑簡(jiǎn)支梁橋響應(yīng)特征分析

袁堂超， 吳柳杰， 包大海

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064)

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典型軸載作用下小跨徑簡(jiǎn)支梁橋響應(yīng)特征分析

袁堂超， 吳柳杰， 包大海

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064)

研究典型軸載作用下小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的受力特點(diǎn)，基于WIM數(shù)據(jù)確定典型軸載及其荷載參數(shù)，借助影響線加載方法及相關(guān)力學(xué)原理計(jì)算簡(jiǎn)支梁橋在典型軸載作用下的正彎矩、剪力和位移響應(yīng)，將其與《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)中的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)進(jìn)行比較，并以比值為分析對(duì)象，討論小跨徑簡(jiǎn)支梁橋在典型軸載作用下的響應(yīng)特征。分析結(jié)果表明：?jiǎn)屋S荷載較相同載重量的雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)更為明顯，小跨徑簡(jiǎn)支梁橋在典型軸載作用下的正彎矩、位移響應(yīng)較剪力效應(yīng)更為明顯，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全由其抗彎強(qiáng)度控制，隨著跨徑增加，單軸荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值單調(diào)遞減，而雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸的荷載效應(yīng)比值呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，峰值所對(duì)應(yīng)跨徑為6 m～8 m。

橋梁工程；小跨徑簡(jiǎn)支梁橋；典型軸載；影響線加載

引言

2014年9月30日，中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)[1]，并于2015年1月1日起執(zhí)行(文中簡(jiǎn)稱“14標(biāo)準(zhǔn)”)，原《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2003)[2]及其英文版、法文版同時(shí)廢止。14標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原規(guī)范設(shè)計(jì)汽車荷載的車道荷載加載量值進(jìn)行了明顯調(diào)整。

對(duì)于小跨徑簡(jiǎn)支梁橋，如簡(jiǎn)支空心板橋，由于結(jié)構(gòu)跨徑較小，公路運(yùn)輸中典型重載卡車荷載效應(yīng)往往以軸載效應(yīng)的形式體現(xiàn)，本文基于長(zhǎng)期的交通流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定公路運(yùn)輸中的典型軸載[3-4]，并基于影響線加載[5]確定典型軸載效應(yīng)，將其與14標(biāo)準(zhǔn)中的公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)進(jìn)行比較，基于比值的計(jì)算結(jié)果，分析典型軸載作用下小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的響應(yīng)特點(diǎn)及隨跨徑的變化規(guī)律。

114 標(biāo)準(zhǔn)車道荷載加載量值規(guī)定

14標(biāo)準(zhǔn)車道荷載仍采用均布力與集中力的組合，如圖1所示。與原規(guī)范相比，14標(biāo)準(zhǔn)車道荷載的加載量值提高了對(duì)小跨徑橋梁的重視程度，在均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk保持不變的前提下，集中荷載修改為式(1)的取值方法，在計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，將集中力乘以1.2。車道荷載的其他條文沿用原規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

圖114 標(biāo)準(zhǔn)車道荷載加載形式

(1)

2 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的典型軸載參數(shù)確定

基于河北省宣大高速(2011.01～2012.06)、浙江省104國(guó)道(2013.04～2014.01)的交通流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，忽略小轎車、客車及輕型卡車對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)，公路運(yùn)輸中常見重載卡車的主要軸型如圖2所示。重載卡車中間軸距較長(zhǎng)，該類車輛對(duì)小跨徑簡(jiǎn)支梁橋(L≤20m)的荷載效應(yīng)主要體現(xiàn)為后軸或中間軸的軸載效應(yīng)，基于該調(diào)查結(jié)果確定典型軸載分別為：?jiǎn)屋S、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸，其荷載組成如圖2所示。

圖2 公路運(yùn)輸常見重載卡車軸型

2.1 兩聯(lián)軸、三聯(lián)軸軸距確定

典型軸載的荷載參數(shù)包括軸距與軸重，首先基于WIM(Weigh-in-Motion，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng))[6-10]數(shù)據(jù)確定兩聯(lián)軸及三聯(lián)軸的軸距。兩聯(lián)軸和三聯(lián)軸實(shí)測(cè)軸距分布如圖3、圖4所示，取實(shí)測(cè)軸距分布的眾值作為典型軸載的軸距，即兩聯(lián)軸軸距為1.46m，由圖4可知三聯(lián)軸的兩軸距眾值分別為1.42m、1.41m，在分析時(shí)，統(tǒng)一取其軸距為1.41m。

圖3 兩聯(lián)軸實(shí)測(cè)軸距分布

圖4 三聯(lián)軸實(shí)測(cè)軸距分布

2.2 典型軸載軸重確定

為分析不同軸型對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，故在確定典型軸載軸重時(shí)，使得單軸、兩聯(lián)軸和三聯(lián)軸總軸重相等，各典型軸載的軸重取值如圖5所示。

圖5 典型軸載軸重

3 加載計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 小跨徑橋梁跨徑選擇

根據(jù)14標(biāo)準(zhǔn)的建議，小跨徑橋梁應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化跨徑、裝配式結(jié)構(gòu)、機(jī)械化和工廠化施工，并給出了橋涵標(biāo)準(zhǔn)化跨徑，結(jié)合我國(guó)橋梁建設(shè)的實(shí)際情況及已有的《橋梁上部結(jié)構(gòu)通用圖》[2]等資料，本文選擇跨徑為5m、6m、8m、10m、13m、16m和20m的簡(jiǎn)支梁為研究對(duì)象，當(dāng)跨徑超過(guò)20m時(shí)，整車荷載效應(yīng)將代替典型軸載效應(yīng)成為結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主導(dǎo)因素。

3.2 設(shè)計(jì)荷載及典型軸載效應(yīng)計(jì)算

以典型軸載荷載效應(yīng)與公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值δ為分析對(duì)象。首先通過(guò)簡(jiǎn)支梁的影響線加載計(jì)算公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，以跨徑l為單一變量，跨中截面設(shè)計(jì)正彎矩效應(yīng)MD、位移效應(yīng)ωD及支點(diǎn)截面設(shè)計(jì)剪力效應(yīng)QD為[11-12]：

(2)

在典型軸載荷載效應(yīng)計(jì)算時(shí)，使用k代替軸距，對(duì)于兩聯(lián)軸：k=1.46 m，對(duì)于三聯(lián)軸k=1.41 m，使用P0代表典型軸載的軸重，對(duì)于單軸：P0=300 kN，對(duì)于兩聯(lián)軸：P0=150 kN，對(duì)于三聯(lián)軸：P0=100 kN。仍以跨徑l為單一變量，推導(dǎo)簡(jiǎn)支梁橋在典型軸載作用下關(guān)鍵截面響應(yīng)的表達(dá)式。在單軸荷載、兩聯(lián)軸荷載和三聯(lián)軸荷載作用下，簡(jiǎn)支梁橋跨中截面正彎矩效應(yīng)、位移效應(yīng)及支點(diǎn)截面剪力效應(yīng)分別為：

(3)

(4)

(5)

3.3 δ計(jì)算及結(jié)果分析

基于設(shè)計(jì)荷載及典型軸載效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，取δ=(典型軸載效應(yīng))/(設(shè)計(jì)荷載效應(yīng))，δ的表達(dá)式中仍是以l為單一變量，其表達(dá)式為：

(6)

(7)

(8)

基于以上分析，對(duì)以下3個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論：(1)三種典型軸載對(duì)結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)的差別；(2)簡(jiǎn)支梁在外荷載作用下，各特征響應(yīng)的顯著程度；(3)小跨徑簡(jiǎn)支梁各種響應(yīng)隨跨徑的變化規(guī)律。

(1)簡(jiǎn)支梁橋在總重相等的單軸荷載、雙聯(lián)軸荷載和三聯(lián)軸荷載作用下的正彎矩響應(yīng)、剪力響應(yīng)和位移響應(yīng)的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：?jiǎn)屋S荷載效應(yīng)大于雙聯(lián)軸效應(yīng)和三聯(lián)軸效應(yīng)，跨徑越小其響應(yīng)差距越大，隨著跨徑的增大，其差距逐漸縮小，故在重載運(yùn)輸中應(yīng)盡力推廣多軸貨車的使用，該措施對(duì)小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的受力合理性意義較大。

圖6 正彎矩、剪力和位移δ值隨跨徑變化規(guī)律

(2)總重相等的單軸荷載、雙聯(lián)軸荷載和三聯(lián)軸荷載作用下簡(jiǎn)支梁橋正彎矩效應(yīng)、剪力效應(yīng)和位移效應(yīng)δ值的對(duì)比分析如圖7所示。由圖7可知：在單軸荷載作用下，位移響應(yīng)較正彎矩響應(yīng)和剪力響應(yīng)更為明顯，在雙聯(lián)軸及三聯(lián)軸荷載作用下，簡(jiǎn)支梁的跨中正彎矩響應(yīng)最為明顯。簡(jiǎn)支梁橋的強(qiáng)度破壞以抗彎和抗剪兩種為主。簡(jiǎn)支梁的強(qiáng)度安全由其抗彎強(qiáng)度控制。此外盡管結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)相對(duì)明顯，但根據(jù)已有研究結(jié)果[13-14]，其撓度值一般不會(huì)超越橋梁計(jì)算跨徑的1/600，結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿足運(yùn)營(yíng)需求。

圖7 正彎矩、剪力、位移響應(yīng)相對(duì)明顯程度分析

(3)根據(jù)圖6、圖7可知：?jiǎn)屋S荷載所產(chǎn)生的正彎矩、剪力和位移效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值隨跨徑的增加而單調(diào)減小，雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸荷載所對(duì)應(yīng)的比值隨著跨徑的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，比值的峰值點(diǎn)約為l=6～8m。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)14標(biāo)準(zhǔn)的車道荷載進(jìn)行介紹，基于長(zhǎng)期的交通荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定了典型軸載及其荷載參數(shù)；其次，基于影響線加載及相關(guān)力學(xué)原理推導(dǎo)了小跨徑簡(jiǎn)支梁橋關(guān)鍵截面的正彎矩、剪力和位移效應(yīng)計(jì)算公式；最后，對(duì)三種典型軸載荷載效應(yīng)差異、簡(jiǎn)支梁各特征響應(yīng)的顯著程度及其隨跨徑的變化規(guī)律進(jìn)行了討論，得到以下結(jié)論：

(1)在載重量相等的情況下，單軸荷載對(duì)簡(jiǎn)支梁的荷載效應(yīng)最為不利，其次為雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸，推廣多軸貨運(yùn)車輛可有效提高小跨徑簡(jiǎn)支梁橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。

(2)簡(jiǎn)支梁橋在外荷載作用下的正彎矩響應(yīng)、位移響應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)相比，較剪力響應(yīng)更為明顯，小跨徑簡(jiǎn)支梁橋在運(yùn)營(yíng)階段的強(qiáng)度安全性由其抗彎強(qiáng)度控制。

(3)隨著跨徑的增加，單軸荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值單調(diào)減小，而雙聯(lián)軸與三聯(lián)軸荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值先增后減，峰值位于l=6～8 m，在小跨徑橋梁的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，應(yīng)提高對(duì)6m、8m兩種跨徑橋梁的重視程度。

[1] JTG B01-2014,公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.橋梁上部結(jié)構(gòu)通用圖[M].北京:人民交通出版社,2007.

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[5] 李寧,孫遠(yuǎn),徐棟.簡(jiǎn)支T梁橋影響線與影響面分析的差異[C]//第十九屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè)).北京:人民交通出版社,2010.

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Response Characteristics Analysis of Small Span Simply Supported Beam Bridge Under Typical Axle Load

YUANTangchao,WULiujie,BAODahai

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shanxi)

In order to find out the bearing characteristics of small span simply supported bridges under typical axle load, the typical axle load and its load parameters were firstly ascertained based on WIM data. The method of influence line loading and some relevant mechanics principle were used to calculate the responses of sagging moment, shear and displacement of the bridge under typical axle load. The results were compared with the design load effect of JTG B01-2014. Thus the response characteristics were discussed based on the ratio. The result of analysis showed that, the load effect of single-axle is more obvious than that of double-axle and triple-axle with same load, the sagging moment and displacement effect is more obvious than shear effect by comparison, the strength safety of the structure is controlled by flexural strength, besides, the ratio of single-axis load effect and design load effect decreases with the increasing of bridge span, while the ratio of double-axle and triple-axle load effects increase before the span equal to 6 m～8 m, and later decrease with the increasing of span.

bridge engineering; small span simply supported bridge; typical axle load; influence line loading

2015-04-03

袁堂超(1989-)，男，山東臨沂人，碩士生，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析方面的研究，(E-mail)1158643160@qq.com

1673-1549(2015)03-0062-04

10.11863/j.suse.2015.03.13

U446

A