施工阶段π形断面斜拉桥在特种车辆作用下的应力研究

2022-11-19方新潮谢泽恩

西部交通科技 2022年8期

方新潮，王俊，谢泽恩

(1.中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100089；2.长安大学，陕西西安 710064)

0 引言

在桥梁建设过程中，梁段预制厂与桥位可能相距较远且只布置在桥址一侧。考虑到建设和运输成本，需要从新建桥上通过特种车辆以节约成本造价。通常情况下，建设方会选择桥中心进行特种车辆的运输，但考虑到桥梁断面形式为π形断面，该断面中间部位较为薄弱，特种车辆经过可能会产生较大应力，从而导致桥梁出现裂缝，造成不必要的经济损失，甚至是安全事故，因此有必要对特种车辆作用下的π形斜拉桥的响应进行研究[1-3]。

Fu[4]等分析了客货车等活载对桥梁的作用；Kwon[5]等研究了AASHTO LRFD桥梁设计规范中卡车荷载作用下桥梁的响应；宗雪梅[6]等调查分析了超重荷载对公路桥梁的影响，给出了超载和超限的函数关系。综上所述，目前，对特种车辆过桥的问题研究较少。

本文以某π形截面斜拉桥为研究对象，针对该斜拉桥在合龙后的施工阶段，采用特种车辆运输超重物件时，分析主梁的应力分布规律，并以此来判断特种车过桥时的安全性。通过建立有限元模型，模拟特种车辆不同车轴数以及行驶路线，并将有限元模型中的计算结果进行对比分析，以此研究上述两种因素变化对于π形断面桥梁的顺桥向应力影响。

1 工程背景

研究对象为双塔整幅混凝土梁斜拉桥，跨径布置为(90+210+90)m=390 m，边中跨比为0.43。斜拉索采用空间索面布置，梁端标准索间距为8.0 m，边跨靠近尾索区索间距为5.3 m。主梁采用C55混凝土，轴心抗拉强度设计值为1.89 MPa[7]。索塔塔柱采用混凝土(C50)门式塔，总高为85.127 m，由下塔柱、上塔柱、上横梁和下横梁组成。索塔采用哑铃型承台，桩基采用C35海工混凝土，均为嵌岩桩且伸入承台0.2 m。桥型布置如图1所示，π形断面尺寸如图2所示。

图1 桥梁立面图(mm)

图2 主梁横断面图(cm)

2 工况设计

2.1 轴重工况

考虑五轴车和50 m T梁、八轴车和50 m T梁两种计算工况，分析特种车辆沿桥梁中心线行进时的主梁应力。八轴车布置，如图3所示。

图3 车轴布置示意图(mm)

2.2 车道工况

由于ANSYS软件建立的实体有限元模型可以较好地分析局部应力分布，因此利用ANSYS计算特种车辆沿不同车道行进时的主梁应力(仅考虑车辆单独产生的应力)。车道布置如图4所示，车道工况如表1所示。

表1 车道工况表

(a)工况1

3 有限元模型

3.1 Midas单梁模型

Midas Civil的有限元模型共有739个节点、500个梁单元、96个桁架单元、12个弹性连接、102个刚性连接、40个一般支撑。具体建模方法为：(1)采用空间梁单元模拟桥塔、主梁、承台以及桩基础；(2)采用空间桁架单元模拟斜拉索；(3)采用刚性连接来模拟斜拉索与主梁之间的连接；(4)采用弹性连接来模拟支座；(5)其他边界条件采用支撑条件模拟。如图5所示。

图5 MIDAS有限元模型图

3.2 ANSYS实体模型

ANSYS的有限元模型共有63 190个节点、326个梁单元、31 326个实体单元、1 468个杆单元。具体建模方法为：(1)用Beam4单元模拟桥塔、承台以及刚臂；(2)用Link10单元模拟斜拉索；(3)用Link8单元模拟纵、横向预应力钢束；(4)用shell63单元模拟横隔板；(5)用solid45单元模拟π型主梁。如图6所示。

图6 ANSYS有限元模型图

3.3 模型检验

由关键振型和主梁跨中挠度的对比结果可知：该桥的ANSYS实体模型与Midas Civil单梁模型的误差较小，如表2 和表3 所示，验证了两套模型的可靠性。因此，将ANSYS有限元模型用于局部应力分析。

表2 关键振型对比结果表

表3 主梁跨中挠度对比结果表

4 分析讨论

4.1 轴重影响

由Midas模型计算轴重工况下的主梁应力分布和跨中挠度，如图7～10所示，仅考虑车辆沿车道1行进。

五轴车和50 m T梁的计算参数为：总重247 t、轴重24.7 t、轴距1.3 m、轮距2.89 m。该工况下，挠度验算得出最大挠度值为57.3 mm，根据跨径算得限值为350 mm，故满足挠度验算要求[2](见图7～8)。

图7 五轴车+50 m T梁最不利荷载组合的主梁上缘最大包络应力图(MPa)

八轴车和50 m T梁的计算参数为：总重264 t、轴重16.5 t、轴距1.24～1.50 m、轮距3.22 m。该工况下，主梁应力分布如图9～10所示，挠度验算得最大挠度值为60.2 mm，根据跨径算得限值为350 mm，故满足挠度验算要求[2]。

图8 五轴车+50 m T梁最不利荷载组合的主梁下缘最小包络应力图(MPa)

图 9 八轴车+50 m T梁最不利荷载组合的主梁上缘最大包络应力图(MPa)

图10 八轴车+50 m T梁最不利荷载组合的主梁下缘最小包络应力图(MPa)

根据Midas Civil软件的计算结果，在不同轴重和轴距的工况下，主梁的上、下缘的最大拉、压应力均满足承载能力要求。结果如表4所示。

表4 主梁应力验算结果表

4.2 车道影响

4.2.1 顺桥向应力

根据表1，使用ANSYS模型分析特种车辆沿不同车道行进对关键截面顺桥向应力的影响，如图11～13所示。研究发现：特种车辆沿硬路肩行驶时，所产生的顶板截面的顺桥向应力最小，这一点可能与π形断面的结构特点有关；五轴车和八轴车对关键截面顺桥向应力的影响规律大致相同。

(a) 五轴车+50 m T梁

4.2.2 横向应力

使用ANSYS模型分析特种车辆沿不同车道行进对关键截面横向应力的影响，如后页图14～16所示。研究发现：特种车辆沿硬路肩行驶时，所产生的横向拉应力是所有工况中最小的；在运输50 m T梁时，五轴车产生的横向拉应力大于八轴车产生的横向拉应力；顶板截面的横向应力小于顺桥向应力。

(a) 五轴车+50 m T梁

(a) 五轴车+50 m

(a) 五轴车+50 m T梁

4.2.3 扭转角度

使用ANSYS模型分析特种车辆沿不同车道行进对主梁扭转角度的影响，如图17所示。研究发现：沿硬路肩行驶时，扭转角度最大；沿桥轴线行驶时，扭转角度最小；特种车辆沿不同车道行进时，跨中扭转角度最大。其中，八轴车+50 m T梁产生的扭转角度为0.117°，五轴车+50 m T梁产生的扭转角度为0.106°。