路桥过渡段跳车及载荷系数分析

左艳军

（新疆交通建设(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐830016）

0 引言

高速公路桥梁路基过渡地带一直存在不均匀差异性沉降，为业内的一项技术难题。桥头跳车是由于桥梁本体与路堤连接处发生不均匀沉降导致的，是高速公路桥梁的主要病害之一[1]。近年来，某些高速仅通车一两年就出现了桥头跳车现象，对高速公路的安全运行埋下了重大隐患。从应力角度考虑，跳车会给桥梁施加一个横向力，加速了路面的损害，导致桥梁使用年限的下降。

基于国内外研究现状，本文首先讨论了桥头跳车机理，随后对路桥过渡段行车载荷及沉降进行了理论分析，然后重点研究桥头跳车的防治方法，并提出了一种基于土工格栅的措施。分析了土工格栅的加强机理，并运用ANSYS 有限元法，建立了桥梁本构关系数学模型，利用数值软件进行计算，得出了不同解决方法下的经济性。

1 路桥过渡段跳车机理分析

产生桥头跳车的原因一般有：路基沉降、路堤材料压缩性、桥台与台背接触面刚度不同三方面的因素，引起跳车的线性简化模型如图1[4]所示。

图1 引起跳车的线性简化模型

由图1 可以看出，车辆载荷通过路桥过渡带时，由于BCA弧段的存在，会产生向心力：

式中：M为车的质量；v为行驶速度；R为弧段半径。

当向心力大于车辆自身重力的10%时就会出现跳车，当向心力大于重力时就会出现翻车等严重事故。当向心力为重力的0.1倍时，对应的弧段半径称为临街半径：若车速为100km/h，则计算得出的临界半径为787.3m。临界跳车变坡率：

式中：L为路桥过渡段弧长。

由上述推导出的各公式可以计算出，过渡段弧长为6m 时，不同行车速度对应的临街半径和变坡率的数值，如表1所示。

表1 桥头跳车临界半径及变坡率数值

车辆从B经C点行驶至A会产生动能损失，经推导其动能损失量为：

式中：FV为车辆后轮在前进方向的分力；d为前后轮距；α为B处的转折角度。推导时，由于α较小，取sinα=α。

2 跳车动载荷修正

路基沉降可分为自身重力沉降和车辆载荷沉降两部分，路基沉降共经历瞬时沉降Si、主固结沉降Sc和固结沉降Ss三个过程，如图2[3-5]所示。

图2 路基沉降随时间变化曲线

桥梁本体一般是由混凝土直接浇筑而成，具有较大的刚度，而路基是半刚性结构。这两种构造的刚度差异较大，抗变形能力也有较大不同。随着载荷的长时间作用，路基会发生较大的固结形变，这也是导致桥头跳车出现的原因。交通载荷应力：

式中：Ka为动载荷系数；Ks为综合载荷系数；σ为标准交通载荷。

由于车速在此处会急剧降低，因此对Ka进行动能修正，修正后的动载系数：

式中：Δst为静载荷位移；m1为过渡段质量。

通过计算，获得简支梁路桥过渡段不同冲击位置、不同质量比下的动载荷修正系数（质量比是指过渡段质量与车辆质量之比），如表2所示。

表2 动载荷修正系数表

由表2可以看出，当冲击位置一定时，车辆质量越大，动载荷修正系数越小，当过渡段质量与车辆质量之比小于1 时，动载荷修正系数可以取1。当渡段质量与车辆质量之比一定时，随着冲击点越靠近中间，修正系数越大，过渡段中点的冲击系数最大。

3 土工格栅有限元模型

土工格栅是一种聚合物，具有较高的抗拉强度，不易延展，这样土体在格栅内的摩擦系数增加。研究土工格栅内部的摩擦系数时，通常使用有限元法分析，路基，格栅与土体的黏聚力为c，内摩擦角为δ，对土工格栅进行直剪试验，试验示意图如图3所示。

图3 土工格栅直剪试验示意图

由库仓定律，确定土工格栅界面抗剪强度：

式中：ca为黏聚力；p为法向压力[6]。

由试验结果得出，普通黏土的黏聚力为37.97kPa，内摩擦角为19.8°；土工格栅的黏聚力为37.97kPa，内摩擦角为21.3°。由试验结果可知，黏聚力并未增大，因此土工格栅不改变黏聚力，只增大摩擦角。

当密实度为0.85 时，对相同密度、不同湿度的黏土做静三轴剪切试验（UU）、直剪试验（Q），试验结果如图4 所示。由试验结果可知，湿度越大则黏聚力越小。同理，对相同湿度、不同密度的黏土做静三轴剪切试验（UU）、直剪试验（Q），结果显示密度越大，黏聚力越大。

图4 同密度不同湿度的黏土湿度与黏聚力关系

对土工格栅进行有限元分析，应用欧拉法进行模型计算。依据我国现有路基设计规范的相关要求，结合高速公路桥梁路基结合带的工况，采用正方形作为单元网格，并对其进行网格划分。土工格栅变形一般是三维数值问题，这里简化分析，用二维程序进行计算，取路基长度为20m，路堤高度为8m，土工格栅上层距离路表面20cm，布置10 层，间距为30cm、40cm、50cm、60cm、70cm。ANSYS计算的土工格栅与沉降量关系如图5所示。

图5 土工格栅与沉降量关系曲线

由图5可以看出，在土工格栅上层距离路表面20cm，布置10层，间距60cm的情况下，路基沉降量最小，此为最佳布置工况。

4 结语

桥头跳车常出现在高速公路桥梁与路基结合带，容易导致事故发生。本文基于国内外桥头跳车的研究现状，对桥头跳车的危害及出现原因进行了分析。其危害主要有：桥头跳车对行车速度的影响；对行车安全的影响；对车辆运营费用的影响；对维护费用和使用寿命的影响。出现原因主要有：路堤材料压缩性、路基沉降、桥台与台背接触面刚度不同。

本文重点推导了桥头跳车临界半径及变坡率的计算公式，并以过渡段弧长6m 为例进行了计算。对跳车动载荷进行了修正，当冲击位置一定时，车辆质量越大，动载荷修正系数越小；当渡段质量与车辆质量之比一定时，随着冲击点越靠近中间，修正系数越大，过渡段中点的冲击系数最大。提出了一种基于土工格栅的措施，分析了土工格栅的加强机理，并运用ANSYS 有限元法，建立了桥梁本构关系数学模型，利用数值软件进行计算，得出了不同解决方法下的经济性。在土工格栅上层距离路表面20cm，布置10 层，间距60cm 的情况下，路基沉降量最小，此为最佳布置工况。该结论可为高速公路桥头跳车防治措施的研究提供参考。

[1] 王俊刚.高速公路桥头跳车交通影响分析与处治措施[D].长春：吉林大学，2012.

[2] 祁晓娜.桥头跳车防治与高延性纤维混凝土连续耐久桥头连接机制研究[D].郑州：郑州大学，2013.

[3] 张婷婷，项贻强，朱汉华，等.桥头跳车对行车安全性影响的模糊评价[J].江南大学学报：自然科学版，2009（2）：212-217.

[4] 丁勇，谢旭，区达光，等.基于分布式弹簧-阻尼单元的桥头跳车动力荷载分析[J]. 土木工程学报，2012（12）：127-135.

[5] 田浩.软土路基段高速公路已建桥梁桥头跳车维修方法[J].交通标准化，2013（4）：57-60.

[6] 丁勇，谢旭，黄剑源.考虑车轮滚动轨迹的桥头跳车动力荷载计算方法及影响因素分析[J]. 工程力学，2013（2）：135-142，149.