车辆荷载作用下弯梁桥侧翻效应分析（交通）

车辆荷载作用下弯梁桥侧翻效应分析（交通）

           王天雄¹  雷  晴¹  呙于平¹  谭  斌¹  高  辉²  刘  杰²

  （1．中国一冶集团有限公司  武汉430080；  2．武汉理工大学交通学院武汉430063）

摘要以武汉长丰大道高架桥为研究对象，建立有限元模型，分别按照规范和极端情况的布载

方式对车辆荷载作用下弯梁桥的安全性进行数值分析。计算表明，按照规范布载方式，该桥没有横向滑移及支座脱空的危险，但在极端情况下，城-A级标准载重汽车在大约超载到95 t时，45号墩内侧支座会出现支座脱空的现象，严重情况有可能导致横向侧翻的严重事故。

关键词  弯梁桥  车辆作用  侧翻效应  有限元分析

    随着社会经济的快速发展，弯梁桥普遍地应用于高速公路、高速铁路、城市快速路，以及其他各等级的桥梁工程。由于自身的力学特性，弯梁桥的受力比直桥复杂，这类桥梁在施工过程中和投入运营后，出现了主梁侧翻、横向滑移、扭转翘曲、内侧支座脱空，外侧支座超压、箱梁混凝土开裂破坏、伸缩缝破坏等工程事故和病害。笔者以武汉长丰大道联弯梁桥为例，对其在正常与极端车辆荷载作用下的侧翻效应进行分析。

1  工程背景

    长丰大道工程中的L14联为变梁高的预应力混凝土连续箱梁，孔跨布置为38 m+70 m+38

m．桥宽26 m，位于R-600 m的圆曲线上，桥面横坡为1. 5%，箱梁顶底面平行同坡，箱梁纵坡为3.8%。箱梁高采用2～4 m，高跨比为1／35～1／17.5，采用单箱3室斜腹板截面。箱梁顶宽26m，底宽15. 62～17 m，箱梁翼缘板挑臂长4m。箱梁在中、边支点处均设置横梁，横梁处横桥向支座中心距为6m。箱梁采用纵、横双向预应力体系，纵向预应力束由腹板束、顶板束及底板束组成。其中腹板束采用1915.2高强度钢绞线，顶、底板束采用1215.2，915.2高强度钢绞线，横向预应力采用315.2，群锚体系。该桥从小里程到大里程方向的支座编号依次是45，46，47，48号。

2计算模型

    箱梁混凝土型号为C50，弹性模量E=34.5G Pa，泊松比为0.2。用Autocad建立实体模

型。再导人到有限元软件ANSYS中，选择不同网格尺寸，分别计算模型在5 000 k N集中荷载作用下的跨中挠度，最终确定以0.25 m为最大边长来划分单元。由于网格划分后节点数目繁多，找寻车道附近节点困难，为此，考虑在建立几何模型时适当对模型进行人为处理，通过实体切割法使实体几何模型在车道线处生成棱线，网格剖分后车道线上的节点会自然出现，三维有限元模型见图1。

3规范工况下车辆荷载作用分析

3.1横向侧翻最不利加载位置计算

    车辆荷载采用《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)。车道荷载模式见图2。

    规范规定：公路I级车道荷载的均布荷载标准值为；集中荷载荷载标准值按以下规定选取：桥梁计算跨径小于或等于5m时，P _k =180 k N;桥梁计算跨径等于或大于50 m时，P _k =360 k N；桥梁计算跨径在5～50 m之间时，P _k采用直线内插求得。计算剪力效应时，P _k应乘以1.2的系数。且多车道时应考虑横向折减系数，见表1。

3.2  规范工况下车辆荷载作用计算结果分析

    经过计算确定，支座最不利车辆荷载加载位置为主梁外侧2车道布载，计算结果见图3和表2。

    将车辆荷载计算结果与自重和预应力荷载作用下弯梁桥的计算结果进行工况组合，得到结果见表3、表4。

    由表3、表4可得出以下结论。

    (1)从位移结果上看，该桥在车辆荷载作用下产生的支座位移很小，可以忽略不计；弯梁桥横向位移主要是由预应力和自重引起，最大值是

2. 23 cm，位于48号墩内侧。

    (2)从支反力结果上看，横桥向和纵桥向支反力较小，不会产生横向侧滑现象；同时竖直方向支反力未出现负值，没有横向侧翻危险。

4极端情况下车辆荷载安全分析

    以上针对车辆荷载作用下的预应力混凝土弯梁桥的安全分析，是基于规范中给出的荷载进行的。而现实中，公路车辆在运输货物的过程中，普遍存在超载现象，超载车辆会对桥梁安全造成重大威胁。

    根据《城市桥梁设计荷载标准》中城-A级标准载重汽车进行极端车辆荷载作用的验算，将此种车型（700 k 重）紧密排列在该桥外侧2车道上。这种5轴式货车总重700 k ，前后轴距18 m，行车限界横向宽度为3m，见图4。

标准载重车辆荷载作用下的计算结果见表5。

由表5可见，该桥在城-A级标准载重汽车最不利布载作用下，支座不会出现脱空现象，不会发生横向侧翻的事故。

    再考察超载情况下桥梁的安全状况。将以上标准载重汽车的重量进行调整，逐步增大其重量，采用试算法确定车辆危险载重，经过多次试算，结果见表6。

    由表6可见，城-A级标准载重汽车在超载到95 t附近并且满足最不利布载位置（外侧2车道布载）时，45号墩内侧支座可能会出现支座脱空的现象，严重情况有可能导致横向侧翻的事故后果。

5结论

    (1)弯梁桥横向位移主要是由预应力及自重作用引起，长丰大道L14联整体横桥向位移较

小，位移趋势为由内侧向外侧滑移。

    (2)横桥向和纵桥向支反力较小，不会发生横向滑移，同时竖向支反力未出现负值，因此没有发生横向侧翻的危险。

    从极端工况下的计算分析中得到：城-A级标准载重汽车在超载到95 t附近并且满足最不利布载位置（外侧2车道布载）时，45号墩内侧支座可能会出现支座脱空的现象，严重情况可能导致横向侧翻的事故后果。