基于人為疏導(dǎo)方案的鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)安全性能影響分析

王 艷，孫 虎

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與熱能工程學(xué)院，陜西 西安 710302)

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，城市交通擁堵與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展矛盾越發(fā)嚴(yán)重，如何解決交通擁堵問題已成為社會的研究熱點(diǎn)。人為干預(yù)交通疏導(dǎo)作為解決城市交通擁堵的主要手段，擔(dān)負(fù)著重要的角色。人為干預(yù)交通疏導(dǎo)在施行過程中，主要憑借疏導(dǎo)人員的主觀意識來采取一定的疏導(dǎo)方式來排堵，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(shí)又不影響或者不降低橋梁結(jié)構(gòu)安全性是一個(gè)重要的研究課題。有學(xué)者對上海市區(qū)高架道路交通排堵方案以及效果進(jìn)行了分析；就主要交通流參數(shù)對堵塞傳播的影響規(guī)律進(jìn)行研究；基于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分區(qū)抗堵塞對交通選擇模型進(jìn)行研究；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。根據(jù)我國公路橋涵設(shè)計(jì)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(jìn)行分析。但對交通排堵方案對橋梁結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究較少。

本文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(jìn)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(jìn)行模擬分析，對其在某一拱橋上運(yùn)行后引起的拱橋振動的影響進(jìn)行分析，其研究結(jié)果可對鋼管混凝土拱橋發(fā)生堵塞進(jìn)行排堵時(shí)的排堵方案選擇提供參考。

1 理論計(jì)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(jì)算拱橋結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，從而研究何種排堵方案對拱橋結(jié)構(gòu)的振動影響最小。本文所使用的動力方程為：

(1)

式中：[]為質(zhì)量； []為剛度；[]為阻尼。

本文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(rèn)所有排堵方案施行時(shí)矩陣、、是不變的，這樣就控制唯一變量{()}是隨時(shí)間變化的。在有限元模擬中將車輛荷載模擬為不同時(shí)間作用在不同節(jié)點(diǎn)的動力節(jié)點(diǎn)荷載，從而每個(gè)節(jié)點(diǎn)荷載都在隨時(shí)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(diǎn)，即在某一位置加載后又快速的釋放。本文在模型模擬中將車輛荷載的運(yùn)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)，三角形荷載作用如圖1所示；其中為軸重；與分別為車輛荷載通過該節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間，該時(shí)間與車輛運(yùn)行速度相關(guān)。

圖1 等腰三角形荷載圖

2 有限元模型與排堵方案分析

本文以某鋼管混凝土拱橋?yàn)橛邢拊Ｐ?，主跨長為65 m，主跨失高30.5 m，橋面的總寬度22.5 m。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(jìn)行有限元模擬。模擬完成共509個(gè)節(jié)點(diǎn)，667個(gè)單元，鋼管混凝土拱肋用梁單元模擬，外部用Q235鋼材，直徑0.8 m，厚度0.01 m，內(nèi)部填充C40混凝土。拱橋吊桿利用直徑0.05 m的1570鋼絞線進(jìn)行模擬。

經(jīng)調(diào)研分析后將涉及到橋梁的排堵方案進(jìn)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(jìn)行排堵的人為疏導(dǎo)方式。具體4種人為疏導(dǎo)的排堵方案如圖2所示。在分析過程中車輛參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中車輛荷載模型的規(guī)定，在本文的分析研究中取3軸車輛模型，總質(zhì)量550 kN，其中前軸重30 kN，中軸重240 kN，后軸重280 kN。

(a)工況1

(c)工況3

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(dǎo)排堵方案的工況分別在有限元分析中進(jìn)行模擬，以此研究對橋梁結(jié)構(gòu)安全性能的影響。計(jì)算時(shí)，車輛荷載在人為疏導(dǎo)排堵方案中的運(yùn)行速度采取車速40 km/h。車道板在模擬過程中每2.5 m取1個(gè)節(jié)點(diǎn)動荷載位置，根據(jù)上文所述三角形荷載求的=0.225 s，=0.45 s。將模擬計(jì)算時(shí)間步長設(shè)為0.01 s，本次模擬車輛通過該鋼管混凝土拱橋的總時(shí)長5.85 s。

鋼管混凝土拱橋中橋面板與人行道板的振動是橋梁振動最直接的反應(yīng)，從而拱橋面板與人行道位移的變化狀態(tài)能直接反映出整個(gè)拱橋的結(jié)構(gòu)安全性，所以將橋面板與人行道位移變化作為本次研究的主要因素，然后對工況1進(jìn)行分析。圖3為拱橋橋面板跨中位置109節(jié)點(diǎn)處位移的時(shí)程曲線。

圖3 拱橋主車道板位移時(shí)程曲線

由圖3可知，在40 km/h的速度疏導(dǎo)交通堵塞時(shí)車道板位移最大值發(fā)生在車輛荷載通過拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時(shí)刻，即4.23 s時(shí)橋面板跨中位置發(fā)生最大位移為1.57E-05 m。同理，可得在40 km/h的速度疏導(dǎo)交通堵塞時(shí)人行道位移最大值發(fā)生在車輛荷載通過拱橋結(jié)構(gòu)跨中位置時(shí)刻，即4.23 s時(shí)人行道位移最值為1.46E-05 m。

對4種工況進(jìn)行分析，得出每種工況所對應(yīng)的車道板與人行道的位移時(shí)程，找到最大值點(diǎn)的變化規(guī)律來研究4種人為疏導(dǎo)工況對拱橋結(jié)構(gòu)安全性的影響。限于篇幅本文僅列出車道板1/4、3/4以及跨中處車道板節(jié)點(diǎn)、人行道節(jié)點(diǎn)的4種工況下的最值。圖4為各車道板節(jié)點(diǎn)在4種工況下位移最值變化；圖5為各人行道節(jié)點(diǎn)在4種工況下位移最值變化。

圖4 4種工況下車道板位移最值變化

圖5 4種工況下人行道位移最值變化

由圖4、圖5可知，在車道板位移最值變化中，工況3引起的車道板位移最值在1/4、3/4以及跨中位置處都是最小的；工況2與工況4次之，工況1引起的車道板位移最大。即從車道板位移最值判斷如要人為疏導(dǎo)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。4種工況對人行道影響與車道板是類似的，引起人行道節(jié)點(diǎn)位移在1/4、3/4以及跨中位置處最值位移也是工況3。從圖6中判斷工況3、工況2與工況4和工況1中間出現(xiàn)空白期，說明在人行道位移中工況3和工況2的排堵方案要在一定程度上優(yōu)于工況4和工況1，對拱橋結(jié)構(gòu)的安全性能影響相對較小。

4 結(jié)語

通過對雙向六車道鋼管混凝土拱橋單方向堵塞后的人為疏導(dǎo)排堵方案進(jìn)行分析，分別在有限元軟件Midas Civil中進(jìn)行模擬，對其在某一拱橋上運(yùn)行后引起的拱橋振動影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在人為疏導(dǎo)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，在日后涉及到拱橋堵塞時(shí)人為疏導(dǎo)交通的排堵方案如能夠按照工況3進(jìn)行，對橋梁結(jié)構(gòu)的影響最小，能夠更好的保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)。