基于人为疏导方案的钢管混凝土拱桥结构安全性能影响分析

王 艳，孙 虎

(陕西国防工业职业技术学院 建筑与热能工程学院，陕西 西安 710302)

随着时代的快速发展，城市交通拥堵与经济的发展矛盾越发严重，如何解决交通拥堵问题已成为社会的研究热点。人为干预交通疏导作为解决城市交通拥堵的主要手段，担负着重要的角色。人为干预交通疏导在施行过程中，主要凭借疏导人员的主观意识来采取一定的疏导方式来排堵，如果涉及到桥梁结构，采取何种方案可在保证快速排堵的同时又不影响或者不降低桥梁结构安全性是一个重要的研究课题。有学者对上海市区高架道路交通排堵方案以及效果进行了分析；就主要交通流参数对堵塞传播的影响规律进行研究；基于路网拓扑结构的分区抗堵塞对交通选择模型进行研究；研究了在静力荷载、动力荷载作用下桥梁结构参数的变化情况对桥梁结构的安全性影响。根据我国公路桥涵设计规范中的极限承载限制提出新的调整系数，从而对桥梁结构的安全性进行分析。但对交通排堵方案对桥梁结构安全性进行研究较少。

本文对双向六车道钢管混凝土拱桥单方向堵塞后的排堵方案进行分析后总结出4种工况，分别在大型有限元软件Midas Civil中进行模拟分析，对其在某一拱桥上运行后引起的拱桥振动的影响进行分析，其研究结果可对钢管混凝土拱桥发生堵塞进行排堵时的排堵方案选择提供参考。

1 理论计算

将排堵方案中的车辆荷载比作动荷载，通过拱桥结构的动力分析计算拱桥结构的动力响应，从而研究何种排堵方案对拱桥结构的振动影响最小。本文所使用的动力方程为：

(1)

式中：[]为质量； []为刚度；[]为阻尼。

本文研究对象为双向六车道拱桥结构，而移动车辆荷载在排堵过程中相比较于桥梁结构而言影响非常小，因此本次分析中忽略车辆荷载对式(1)中各因素的影响。即默认所有排堵方案施行时矩阵、、是不变的，这样就控制唯一变量{()}是随时间变化的。在有限元模拟中将车辆荷载模拟为不同时间作用在不同节点的动力节点荷载，从而每个节点荷载都在随时间变化而发生变化，再根据车辆荷载在车道上行驶的特点，即在某一位置加载后又快速的释放。本文在模型模拟中将车辆荷载的运行模拟为等腰三角形荷载，这样基本能够还原车辆在车道上行驶的状态，三角形荷载作用如图1所示；其中为轴重；与分别为车辆荷载通过该节点所需的时间，该时间与车辆运行速度相关。

图1 等腰三角形荷载图

2 有限元模型与排堵方案分析

本文以某钢管混凝土拱桥为有限元模型，主跨长为65 m，主跨失高30.5 m，桥面的总宽度22.5 m。该拱桥的主拱肋为钢管混凝土结构，用软件Midas Civil对该拱桥进行有限元模拟。模拟完成共509个节点，667个单元，钢管混凝土拱肋用梁单元模拟，外部用Q235钢材，直径0.8 m，厚度0.01 m，内部填充C40混凝土。拱桥吊杆利用直径0.05 m的1570钢绞线进行模拟。

经调研分析后将涉及到桥梁的排堵方案进行归纳总结成4种工况，假设桥梁一侧车辆堵塞在另一侧进行排堵的人为疏导方式。具体4种人为疏导的排堵方案如图2所示。在分析过程中车辆参考《公路桥涵设计通用规范》中车辆荷载模型的规定，在本文的分析研究中取3轴车辆模型，总质量550 kN，其中前轴重30 kN，中轴重240 kN，后轴重280 kN。

(a)工况1

(c)工况3

3 排堵方案对拱桥安全性的影响

根据上文所示4种人为疏导排堵方案的工况分别在有限元分析中进行模拟，以此研究对桥梁结构安全性能的影响。计算时，车辆荷载在人为疏导排堵方案中的运行速度采取车速40 km/h。车道板在模拟过程中每2.5 m取1个节点动荷载位置，根据上文所述三角形荷载求的=0.225 s，=0.45 s。将模拟计算时间步长设为0.01 s，本次模拟车辆通过该钢管混凝土拱桥的总时长5.85 s。

钢管混凝土拱桥中桥面板与人行道板的振动是桥梁振动最直接的反应，从而拱桥面板与人行道位移的变化状态能直接反映出整个拱桥的结构安全性，所以将桥面板与人行道位移变化作为本次研究的主要因素，然后对工况1进行分析。图3为拱桥桥面板跨中位置109节点处位移的时程曲线。

图3 拱桥主车道板位移时程曲线

由图3可知，在40 km/h的速度疏导交通堵塞时车道板位移最大值发生在车辆荷载通过拱桥结构跨中位置时刻，即4.23 s时桥面板跨中位置发生最大位移为1.57E-05 m。同理，可得在40 km/h的速度疏导交通堵塞时人行道位移最大值发生在车辆荷载通过拱桥结构跨中位置时刻，即4.23 s时人行道位移最值为1.46E-05 m。

对4种工况进行分析，得出每种工况所对应的车道板与人行道的位移时程，找到最大值点的变化规律来研究4种人为疏导工况对拱桥结构安全性的影响。限于篇幅本文仅列出车道板1/4、3/4以及跨中处车道板节点、人行道节点的4种工况下的最值。图4为各车道板节点在4种工况下位移最值变化；图5为各人行道节点在4种工况下位移最值变化。

图4 4种工况下车道板位移最值变化

图5 4种工况下人行道位移最值变化

由图4、图5可知，在车道板位移最值变化中，工况3引起的车道板位移最值在1/4、3/4以及跨中位置处都是最小的；工况2与工况4次之，工况1引起的车道板位移最大。即从车道板位移最值判断如要人为疏导堵塞交通优先选用工况3排堵方案，此方案对拱桥结构安全性能影响小。4种工况对人行道影响与车道板是类似的，引起人行道节点位移在1/4、3/4以及跨中位置处最值位移也是工况3。从图6中判断工况3、工况2与工况4和工况1中间出现空白期，说明在人行道位移中工况3和工况2的排堵方案要在一定程度上优于工况4和工况1，对拱桥结构的安全性能影响相对较小。

4 结语

通过对双向六车道钢管混凝土拱桥单方向堵塞后的人为疏导排堵方案进行分析，分别在有限元软件Midas Civil中进行模拟，对其在某一拱桥上运行后引起的拱桥振动影响进行研究。结果表明，在人为疏导排堵方案中工况3(两逆向一顺向)对拱桥结构的安全性能影响最小，在日后涉及到拱桥堵塞时人为疏导交通的排堵方案如能够按照工况3进行，对桥梁结构的影响最小，能够更好的保护桥梁结构。