基于交通排堵方案的鋼管混凝土拱橋安全性研究

杜祝遙

摘 要：文章以鋼管混凝土拱橋為背景，對雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后排堵方案的4種工況，在有限元軟件Midas Civil中進行分析，對各工況在背景拱橋上運行后引起的振動及構(gòu)件內(nèi)力影響進行研究，得出在人為疏導排堵方案中工況3（兩逆向一順向）對拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響最小，為日后涉及到鋼管混凝土拱橋發(fā)生堵塞進行排堵時給出一定的建議。

關(guān)鍵詞：排堵方案;鋼管混凝土拱橋;安全性

中圖分類號：U448.22 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0181-03

Research on Safety of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge Based on Traffic Blockage Removal Scheme

Du Zhuyao

（Shaanxi Institute of Technology， Xi an 710302， China）

Abstract：This paper takes the concrete-filled steel tube arch bridge as the background， analyzes the four working conditions of the two-way six-lane concrete-filled steel tube arch bridge in one direction and the rear blocking scheme in the finite element software Midas Civil. Research on the vibration and internal force of the members caused by various working conditions after running on the background arch bridge. It is concluded that working condition three （two reverse directions and one forward direction） has the least impact on the safety performance of the arch bridge structure in the artificial drainage and blockage removal scheme， and certain suggestions are given when the blockage of the concrete-filled steel tube arch bridge is involved in the future.

Key words：blockage removal scheme; concrete-filled steel tube arch bridge; safety

隨著時代的快速發(fā)展，城市交通擁堵與經(jīng)濟的發(fā)展矛盾越發(fā)嚴重，如何解決交通擁堵問題已成為社會的研究熱點[1-5]。人為干預交通疏導作為解決城市交通擁堵的主要手段，擔負著重要的角色。但是人為干預交通疏導在施行過程中，主要憑借疏導人員的主觀意識來采取一定的疏導方式來排堵，但是如果涉及到橋梁結(jié)構(gòu)，采取何種方案可在保證快速排堵的同時又不影響或者不降低橋梁結(jié)構(gòu)安全性是一個重要的研究課題[6-10]。邱英浩[11]對上海市區(qū)高架道路交通排堵方案以及效果進行了分析。王永明[12]對主要交通流參數(shù)對堵塞傳播的影響規(guī)律進行研究。程晨[13]基于路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的分區(qū)抗堵塞對交通選擇模型進行研究。劉歡[14]研究了在靜力荷載、動力荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性影響。李文杰[15]根據(jù)我國公路橋涵設(shè)計規(guī)范中的極限承載限制提出新的調(diào)整系數(shù)，從而對橋梁結(jié)構(gòu)的安全性進行分析。但是很少有學者對交通排堵方案對橋梁結(jié)構(gòu)安全性進行研究。

文章對雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的排堵方案進行分析后總結(jié)出4種工況，分別在大型有限元軟件Midas Civil中進行模擬分析，對其在某一拱橋上運行后引起的拱橋振動以及構(gòu)件內(nèi)力的影響進行研究，希望得出的結(jié)論對鋼管混凝土拱橋發(fā)生堵塞進行排堵時排堵方案的選擇給出一定的建議。

1 理論計算

將排堵方案中的車輛荷載比作動荷載，通過拱橋結(jié)構(gòu)的動力分析計算拱橋結(jié)構(gòu)的動力響應，從而研究何種排堵方案對拱橋結(jié)構(gòu)的振動影響最小。文章所使用的動力方程為：

式中：[M]為質(zhì)量; [K]為剛度;[C]為阻尼。

文章研究對象為雙向六車道拱橋結(jié)構(gòu)，而移動車輛荷載在排堵過程中相比較于橋梁結(jié)構(gòu)而言影響非常小，因此本次分析中忽略車輛荷載對式（1）中各因素的影響。即默認所有排堵方案施行時矩陣[M] [K][C]是不變的，這樣就控制唯一變量{F（t）}是隨時間變化的。在有限元模擬中將車輛荷載模擬為不同時間作用在不同節(jié)點的動力節(jié)點荷載，從而每個節(jié)點荷載都在隨時間變化而發(fā)生變化，再根據(jù)車輛荷載在車道上行駛的特點，即在某一位置加載后又快速的釋放。文章在模型模擬中將車輛荷載的運行模擬為等腰三角形荷載，這樣基本能夠還原車輛在車道上行駛的狀態(tài)，三角形荷載如圖1，其中F為軸重，t1與t2分別為車輛荷載通過該節(jié)點的所需的時間，該時間與車輛運行速度相關(guān)。

2 有限元模型與排堵方案分析

文章以某鋼管混凝土拱橋為有限元模型，主跨長為65m，主跨失高30.5m，橋面的總寬度22.5m。該拱橋的主拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，用軟件Midas Civil對該拱橋進行有限元模擬，如圖2所示，模擬完成共509個節(jié)點，667個單元，鋼管混凝土拱肋用梁單元模擬，外部用Q235鋼材，直徑0.8m，厚度0.01m，內(nèi)部填充C40混凝土。拱橋吊桿利用直徑0.05m的1570鋼絞線進行模擬。

經(jīng)調(diào)研分析后將涉及到橋梁的排堵方案進行歸納總結(jié)成4種工況，假設(shè)橋梁一側(cè)車輛堵塞在另一側(cè)進行排堵的人為疏導方式。具體4種人為疏導的排堵方案如圖3所示。在分析過程中車輛參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中車輛荷載模型的規(guī)定，在文章的分析研究中取三軸車輛模型，總重量550 kN，其中前軸重30kN，中軸重240kN，后軸重280kN。

3 排堵方案對拱橋安全性的影響

根據(jù)上文所示4種人為疏導排堵方案的工況分別在有限元分析中進行模擬，來研究對橋梁結(jié)構(gòu)安全性能的影響。計算時，車輛荷載在排堵方案中的運行速度采取車速40km/h。車道板在模擬過程中間距每2.5m取一個節(jié)點動荷載位置，根據(jù)上文所述三角形荷載求的t1=0.225s，t2=0.45s。將模擬計算時間步長設(shè)為0.01s，本次模擬車輛通過該鋼管混凝土拱橋的總時長5.85s。

鋼管混凝土拱橋中的主拱肋跟吊桿是主要的受力構(gòu)件，從而拱肋軸力與吊桿軸力的變化狀態(tài)關(guān)乎著整個拱橋結(jié)構(gòu)安全性，所以將主拱肋與吊桿的受力變化作為本次研究的主要因素，然后對工況一進行分析。圖4為拱橋主拱肋跨中位置99單元處軸力的時程曲線，由圖4可知在40km/h的速度疏導交通堵塞拱肋軸力最大值發(fā)生在車輛荷載通過拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時刻，即4.23s時拱肋發(fā)生最大軸力為20.75kN。圖5為拱橋跨中吊桿139單元處軸力的時程曲線，由圖5可知在40km/h的速度疏導交通堵塞拱肋軸力最大值發(fā)生在車輛荷載通過拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時刻，即4.23s時拱肋發(fā)生最大軸力為9.82kN。

據(jù)此，對上文中4種工況進行分析，分別得出每種工況所對應的拱肋與吊桿的軸力時程分析，找到最大值點的變化規(guī)律來研究4種人為疏導的工況對拱橋結(jié)構(gòu)安全性的影響。限于篇幅所限文章僅列出拱肋1/4、3/4以及跨中處拱肋單元、吊桿單元的軸力在4種工況下的最值，圖6為各拱肋單元在4種工況下軸力最值變化，圖7為各吊桿單元在4種工況下軸力最值變化。

由圖6、7分別對4種工況下拱肋與吊桿的軸力最值變化可知，在拱肋軸力最值變化中，工況3引起的拱肋最值在1/4、3/4以及跨中處拱肋單元位置處都是最小的，工況2與工況4次之，工況1引起的拱肋軸力最大。即從拱肋軸力最值判斷如要人為疏導堵塞交通優(yōu)先選用工況3排堵方案，此方案對拱橋結(jié)構(gòu)安全性能影響小。在4種工況對吊桿影響與拱肋是類似的，引起吊桿單元軸力在1/4、3/4以及跨中位置處最值軸力的也是工況3，而且從圖7中判斷工況3、2與工況4、一中間出現(xiàn)空白期，說明在吊桿軸力中工況2、3的排堵方案要在一定程度上優(yōu)于工況4、1，對拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響越小。

4 結(jié)論

橋梁結(jié)構(gòu)在運行中的安全性能關(guān)乎著城市的公共安全，對雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的排堵方案進行分析后總結(jié)出4種工況，分別在大型有限元軟件Midas Civil中進行模擬分析，對其在某一拱橋上運行后引起的拱橋振動以及構(gòu)件內(nèi)力的影響進行研究，得出在人為疏導排堵方案中工況3對拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響最小，在日后涉及到拱橋堵塞時人為疏導交通的排堵方案如能夠按照工況3進行，對橋梁結(jié)構(gòu)的影響最小，能夠更好的保護橋梁結(jié)構(gòu)。

參考文獻

[1]郭繼孚， 劉瑩， 余柳.對中國大城市交通擁堵問題的認識[J].城市交通，2011，09（002）：8-14.

[2]談曉潔，周晶，盛昭瀚.城市交通擁擠特征及疏導決策分析[J].管理工程學報，2003，17（001）：56-60.

[3]徐東云，張雷，蘭榮娟.城市交通擁堵的背景變換分析[J].城市問題，2009 （003）：46-49.

[4]李樹彬，吳建軍，高自友，等.基于復雜網(wǎng)絡(luò)的交通擁堵與傳播動力學分析[J].物理學報，2011，

60（05）：146-154.

[5]潘海嘯.中國城市綠色交通——改善交通擁擠的根本性策略[J].現(xiàn)代城市研究，2010，25（01）：7-10.

[6]潘黎明，史家鈞.大型橋梁結(jié)構(gòu)安全性與耐久性綜合評估研究[J].上海市政工程，1997（004）：1-7.

[7]魏松，陳祥晨.橋梁結(jié)構(gòu)安全性與耐久性問題的思考[J].工程質(zhì)量，2010（09）：17-18.

[8]王榮華.淺談橋梁結(jié)構(gòu)安全性與耐久性[J].浙江交通職業(yè)技術(shù)學院學報，2012（1）：34-38.

[9]楊弘卿，郭留紅.車撞橋致火災對跨線橋梁結(jié)構(gòu)安全性影響分析[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2016， 12（05）：244-245.

[10]強昌旭.基于區(qū)間法的橋梁結(jié)構(gòu)安全性評估[D].長沙：湖南大學，2010.

[11]邱英浩.上海市區(qū)高架道路交通排堵保暢之我見[J].交通與運輸，2005（02）：9-11.

[12]王永明.基于元胞自動機的道路交通堵塞仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2010 （009）：2149-2154.

[13]程晨.基于交通堵塞的路網(wǎng)分區(qū)路徑選擇模型研究[D].西安：西安工業(yè)大學， 2015.

[14]劉歡.基于荷載試驗的橋梁結(jié)構(gòu)安全性檢測與評估研究[D].成都：西華大學，2014.

[15]李文杰，侯天宇，趙君黎，等.基于可靠度理論的混凝土橋梁安全性評估方法研究[J].公路交通科技，2017，034（004）：87-92.