大件运输车载下斜交T梁桥响应特征

刘韬，陈鹏涛

（1.江西省交通投资集团有限责任公司，南昌 330025；2.长安大学公路学院，西安 710064）

1 引言

大件运输车辆是指载运大体积、不可解体物品的特殊车辆，通常具有超长、超宽、超高或超重的特点，包括几何尺寸超限和车质量超限两种类型。随着我国经济的发展，大件运输车辆的通行频次显著增加，中小跨径桥梁的正常使用性能会受到相应影响。而中小跨径桥梁中斜交T梁桥是其中较为特殊的一部分，其具有不同于同等跨径直桥的受力特点。斜交桥梁由于斜交角度的不同会影响到桥梁的弯矩及剪力分布并且相较于直桥斜交桥梁也存在着弯扭耦合作用。因此，分析大件运输车载对简支斜交T梁桥的响应特征意义显著。

目前，已有一些学者对斜交桥梁开展了相关研究。席振坤[1]等对多种荷载作用下连续斜交桥梁的响应特征进行了深入研究，研究分析发现在斜交桥梁钝角处支点剪力和支承反力随着斜交角的增大而增大；唐朝阳[2]对不同斜交角和宽跨比的斜交T梁桥进行了受力性能分析，分析发现斜交T梁的受力性能会受到宽跨比和斜交角的共同影响，但斜交T梁桥对其影响较大；程京伟[3]对简支斜交T梁桥采用空间梁格分析法进行受力性能分析，分析发现斜交T梁桥的支座反力分布不均且上部结构也会承受较大的扭转作用；杨晶晶[4]等对斜交空心板桥梁与正交空心板桥梁在受力方面的不同进行了研究，但并未研究其他因素对受力的影响；王锴[5]等对斜交桥梁不同位置的支反力进行了分析，但并未分析跨径对斜交桥梁的影响；Baidar Bakiit[6]对斜交角小于20°的斜交桥梁进行了简化分析，并提出相应的正桥等效条件。

鉴于以上现状，首先，选取多条高速公路中的典型T梁桥作为研究对象，使用梁格法建立不同斜交角度和不同跨径的有限元模型；其次，基于某省的大件运输车辆通行信息，提取出4种大件运输车辆加载模型；最后，采用4种大件运输车辆加载模型分析斜交角度和跨径对斜交T梁响应特征的影响。

2 基于大件运输车辆数据的T梁桥加载模型

大件运输可根据货物的质量与尺寸选择不同的车辆，因此，其轴重与轴距多种多样。为获取大件运输车辆对斜交T梁桥的典型加载模型，以大件运输车辆的荷载信息及通行审批数据为基础，结合大件运输车辆在斜交T梁桥上的加载形式及各类荷载的占比情况，从5 000余组车辆信息中选取4种典型加载模型，如表1所示。

表1 大件运输车辆联轴模型

3 典型斜交T梁桥结构及有限元模型建立

3.1 典型斜交T梁桥选择

选择典型简支斜交T梁桥，用以研究分析大件运输车载作用下不同参数对简支斜交T梁桥响应特征的影响。本文采用的典型简支斜交T梁桥均来自《桥梁上部结构通用图》，包括斜交角度为0°、15°、20°、30°和45°，跨径为20 m、25 m、30 m、35 m和40 m的简支斜交T梁桥。

3.2 斜交T梁桥有限元模型

简支斜交T梁受力性能受许多参数影响，因此，为了便于简支斜交T梁桥分析，运用ANSYS有限元分析软件采用beam4梁单元模拟主梁和横梁，link8单元来模拟预应力钢筋，将预应力斜交T梁桥中各主梁间的现浇缝视作主梁翼缘板的一部分，并将桥面铺装层视作主梁的一部分，使其形成一个整体，边界条件严格按照图纸进行约束。

4 运输车载下斜交T梁桥响应特征分析

4.1 加载分析方法

根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》[7]的规定大件运输车辆应当居中行驶，因此，其有限元模型中车道荷载的布置应与大件运输车辆实际作用形式相符合，且不计入冲击效应。

4.2 斜交角度影响分析

斜交角是影响斜交桥梁受力的一个重要因素，斜交角的存在会影响桥梁的内力分布更重要的是会引起结构的弯扭耦合作用，因此，大件运输车载作用下不同斜交桥梁的受力差异较大。按照上述典型桥梁信息分别建立了斜交角度为0°、15°、20°、30°和45°的预应力简支斜交T梁桥的有限元模型，通过ANSYS有限元模型分析了不同斜交角度对30m斜交T梁桥弯矩、剪力、扭矩和位移的极值情况，结果如图1所示。

图1 不同斜交角度下预应力T梁桥内力及位移极值变化

根据分析结果可知：在4种加载模型作用下，对于30 m跨径的预应力简支斜交T梁桥，弯矩极值与位移极值均随着斜交角度的增大而增大，且两者对斜交角度的改变响应基本一致；扭矩极值随着斜交角度的增加而增加，且其变化率随着斜交角的增大而增大，因此，扭矩极值对斜交角度的响应差异越来越敏感；剪力极值均随着斜交角度的增加而先减小后增大，且其变化率在斜交角为30°～45°时剪力最大值对斜交角度的变化最为敏感。

4.3 跨径影响分析

斜交桥梁跨径的不同将会影响作用在桥梁上的轴数，即会直接影响大件运输车载作用在桥梁上的质量。因此，为分析跨径布置对预应力简支斜交T梁桥大件运输车载产生的效应影响，采用上述4种大件运输车辆加载模型对斜交角为30°的典型斜交T梁桥进行加载分析，分析结果如图2所示。

图2 不同跨径下预应力T梁桥内力及位移极值变化

根据分析结果可知：在4种加载模型作用下，对于斜交角为30°的预应力简支斜交T梁桥其弯矩极值、剪力极值和位移极值均随跨径增大而增大且变化率均在跨径为25～30 m最大，同时不同跨径的斜交T梁桥在加载模型3的作用下响应变化最为剧烈；扭矩极值在4种加载模型作用下均在跨径为35 m处取最大值，并且在跨径超过30 m后加载模型3和加载模型4对斜交T梁桥产生的效应基本相同。

5 结论

1）当预应力简支斜交T梁桥跨径一定时，其弯矩极值、位移极值和扭矩极值随着斜交角度的增加而增加，但剪力极值随着斜交角度的增加而先减小后增加，并且内力极值与位移极值均随着斜交角度的增大而对斜交角度的变化更加敏感。

2）当预应力简支斜交T梁桥斜交角度一定时，其弯矩极值、剪力极值和位移极值均随着跨径的增加而增加，而扭矩极值随着跨径的增加呈现波动变化但总变化仍呈增加趋势。

3）当大件运输车辆通过中小跨径斜交T梁桥时，其弯矩、剪力和扭矩均会加剧。

4）通过分析可知，虽然随着斜交角度和跨径的增加斜交T梁桥的内力极值与位移极值总变化均呈增加趋势，但斜交角度对预应力简支斜交T梁桥响应结果影响较大，其决定着响应的变化趋势，而跨径几乎不影响其变化趋势仅对响应的变化幅度有影响。