矮塔斜拉桥运营过程中的结构仿真分析

张运波，孙立伟

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

由于我国现代化建设的快速发展以及运营成本的增加，致使运营车辆超载现象成为常态。超载问题将会直接造成在役桥梁的损伤，削弱结构的耐久性能，不同程度地造成桥梁承载力降低，甚至危及桥梁的安全运营。为了在量化上说明超载车辆对运营桥梁结构的影响，就超载车辆对桥梁结构的影响进行结构仿真分析具有一定现实意义和科研价值。

1 工程概况

本桥位于曹妃甸港区连接工业区与陆域的一号路上，是由规划纳潮河引起的改建工程，全桥总长1 700 m。主桥跨径为(80+128+80)m，全长288 m，桥跨结构采用预应力混凝土矮塔斜拉桥，桥墩采用板式墩，基础采用钻孔灌注桩。

桥梁横断面(半幅)布置形式为:2.25 m(人行道)+4.25 m(非机动车道)+11.5 m(行车道)+1.25 m(中间带)，总宽度为38.5 m。

斜拉索:采用扇形单索面体系、钢绞线索，每根索采用43根φ15.24 mm环氧喷涂钢绞线。斜拉索布置在中央分隔带上，塔根附近无索区梁长约40.9 m，有索区长约40.0 m，跨中无索区长约7.1 m，边跨无索区长约19.7 m，塔上竖向索距0.9 m，梁上索距4.0 m，拉索采用双排索，两排索间距1.0 m。

桥塔:主塔采用钢筋混凝土实心矩形截面，高度为18.0 m。桥塔截面为变截面，顺桥向顶部宽2.6 m，下部宽3.0 m，横桥向宽2.0 m。桥塔布置在中央分隔带上，塔身斜拉索通过处设鞍座。

设计地震基本烈度7度;设计荷载等级为城—A级。纳潮河大桥主桥的总体布置如图1所示。

图1 纳潮河大桥主桥总体布置

2 不同交通流量荷载下的仿真分析

从目前的交通状况和今后交通流量不断增长的情况考虑，模拟纳潮河大桥主桥在不同的交通流量下的状态，考察主要截面的应力应变、斜拉索的索力、主梁的挠度等变化情况，从而为桥梁管理部门提供依据。

对于交通流量的模拟，本文将模拟以下4种工况:①日交通流量1万辆;②日交通流量2万辆;③日交通流量5万辆;④日交通流量10万辆。

对于以上4种工况，因为该桥为市政桥梁，其主要的车辆应为2.6 t左右的家用轿车等，因此考虑平均单车重量30 kN，车辆荷载在16 h内平均通过桥梁。

2.1 不同交通流量下的应变变化

按照以上方法计算不同交通流量情况下主梁中跨跨中梁底应变的变化，结果如表1所示。

从表1计算的结果来看，随着交通流量增加，中跨跨中处的应变也在逐渐变大，当流量从1万辆增加到5万辆时，中跨跨中位置处的应变增加了90×10－6(增长将近300%)。这种情况是值得注意的，当出现这种情况时需要及时地对交通流量进行控制，以免出现因长期的过载而导致该桥部分构件的损害。当交通流量增加到10万辆时，中跨跨中的应变值达到了209×10－6，显然超过了该处极限应力所对应的极限应变值182×10－6。如果以中跨跨中处应变值的变化作为参照标准，综合考虑纳潮河大桥主桥的极限交通流量应该在8万辆左右。

表1 中跨跨中处应变随交通流量变化

2.2 不同交通流量下的索力变化

根据对该桥拉索索力变化的分析，选择其中变化最大的C10号拉索作为分析对象，按照以上方法计算不同交通流量情况下C10号拉索的索力变化，结果如表2所示。

表2 C10号拉索索力随交通流量变化

2.3 不同交通流量下的主梁挠度变化

按照以上方法计算不同交通流量情况下主梁中跨跨中处挠度的变化，结果如表3。

表3 中跨跨中挠度随交通流量变化

从表3可以看出，随着交通流量增加，桥梁主梁的挠度也随着增加，当流量从1万辆增加到5万辆时，挠度由33 mm增加到134 mm，增加近300%;当交通量增加到10万辆时，该桥中跨跨中处的挠度增加到了241 mm，已经超过了该桥挠度的极限值213 mm。如果单从挠度方面考虑，可以计算出该桥的极限交通流量同样是在8万辆左右。

3 超载车辆过桥时的仿真分析

在桥梁荷载中，超载车辆的影响是非常明显的。根据实测数据了解到该桥超载现象严重，桥梁的运营荷载要大于结构的设计荷载，超载引起的变形和应力应变均超过了设计荷载产生的最大值。所以根据该桥的实测数据以及考虑城—A级荷载的车辆总重综合分析，本文将简化模拟70，95和120 t三种车辆单车的超载情况。

根据纳潮河大桥主桥荷载试验的数据分析，将横桥向加载的位置定于主梁荷载试验中右偏载工况下最靠近外边缘的位置，详细位置如图2所示。所选用的车辆与荷载车辆的标准相同。前中轴距为4.0 m，中后轴距为1.4 m，左右轮距为1.8 m。

图2 横桥向加载位置(单位:m)

计算的过程是:超载车的整个重量按照前中后3个车轮两边共6个作用点考虑，车辆从主桥的一端逐步移动到另一端，然后计算主梁中跨跨中处的挠度，试图从中跨跨中挠度对超载车辆的影响作出评价分析。

车辆纵桥向移动位置编号如图3所示。计算结果如表4和图4所示。

图3 纵桥向加载位置编号

表4 中跨跨中挠度随车辆位置变化 mm

根据计算结果可以看出，单台重车通过桥梁时，70 t车辆荷载在5号位置时中跨跨中产生的挠度为7.61 mm，95 t车辆荷载在5号位置时中跨跨中产生的挠度为10.33 mm，120 t车辆荷载在5号位置时中跨跨中产生的挠度为13.05 mm。与上节中交通流量模拟分析结果比较，发现一辆120 t车辆荷载在中跨跨中位置产生的挠度占交通流量2万辆时挠度70 mm的18.6%，也就是说一辆120 t的重车对桥梁的影响相当于5 000辆标准车辆。这种影响应该引起桥梁管理者的高度重视，即增加相应的监控手段，及时限制超载车过桥。

图4 中跨跨中挠度随车辆位置变化曲线

4 超载车辆不同车速对桥梁结构的影响分析

车辆速度对桥梁的内力与变形等具有一定的影响，本文将利用Midas/Civil有限元分析软件，对该问题进行模拟。

根据该桥的交通状况，本文选取了20，40，60，100 km/h这4种车速工况来对其进行分析。

由于车辆荷载作用在节点时是个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，所以在本文中按照对现有交通流量的分析将其近似地模拟为最大值1 000 kN的三角形荷载，其中时间t1和t2间的时间差由车辆的速度和所建模型的节点间距来决定。

根据20 km/h车速下的变形图(图5)可以看出，该桥的最大位移出现在左边跨跨中位置而不是中跨跨中位置，因此选取左边跨跨中位置作为研究对象，来分析不同车速下超载车辆对桥梁变形的影响。

图5 20 km/h车速下桥梁变形

计算表明:在质量为100 t的车辆过桥情况下，低速行驶反而会对该桥的动挠度产生更大的影响;车速从20 km/h提升到60 km/h的过程中，其动挠度值在逐渐减小，但是当车速从60 km/h提升到100 km/h时其动挠度又有所提高。

计算显示，在20 km/h车速下，该桥的最大弯矩出现在左塔附近的309号单元上，因此选取该单元作为研究对象，来分析不同车速下超载车辆对桥梁弯矩的影响。

计算表明:在质量为100 t的车辆过桥情况下，低速行驶会对该桥的动态弯矩值产生较大的影响;车速从20 km/h提升到60 km/h的过程中，其弯矩值在逐渐减小，但是当车速从60 km/h提升到100 km/h时其弯矩值又有所提高，这与动挠度的变化是一致的。

从以上分析我们可以看出，对于纳潮河大桥主桥来说，超载车辆过桥其车速在20 km/h到40 km/h之间时，对该桥的影响较大，因此应当适当地提高车速。而且该桥的最大动挠度是出现在左边跨跨中，因此，希望桥梁管理者能够对该处的内力响应等结构特性给予更大的关注。

5 结论

本文以所建有限元模型为基础，模拟了纳潮河大桥主桥在不同交通流量、不同超载车辆荷载作用情况下的工作状态，得出了如下结论:

1)纳潮河大桥主桥的极限交通流量大约在8万辆左右，超量运营将会严重影响桥梁的安全使用，降低桥梁的使用寿命。

2)单台重车通过桥梁时，一辆120 t车辆荷载在中跨跨中产生的挠度占交通流量2万辆时挠度70 mm的18.6%，也就是说一辆120 t的重车对桥梁的影响相当于5 000辆标准车辆。

3)超载车辆的行驶速度在20～40 km/h范围内时，对桥梁的影响较大，并且该桥梁的最大动挠度出现在左边跨跨中处。

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