基于交通排堵方案的钢管混凝土拱桥安全性研究

杜祝遥

摘 要：文章以钢管混凝土拱桥为背景，对双向六车道钢管混凝土拱桥单方向堵塞后排堵方案的4种工况，在有限元软件Midas Civil中进行分析，对各工况在背景拱桥上运行后引起的振动及构件内力影响进行研究，得出在人为疏导排堵方案中工况3（两逆向一顺向）对拱桥结构的安全性能影响最小，为日后涉及到钢管混凝土拱桥发生堵塞进行排堵时给出一定的建议。

关键词：排堵方案;钢管混凝土拱桥;安全性

中图分类号：U448.22 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0181-03

Research on Safety of Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge Based on Traffic Blockage Removal Scheme

Du Zhuyao

（Shaanxi Institute of Technology， Xi an 710302， China）

Abstract：This paper takes the concrete-filled steel tube arch bridge as the background， analyzes the four working conditions of the two-way six-lane concrete-filled steel tube arch bridge in one direction and the rear blocking scheme in the finite element software Midas Civil. Research on the vibration and internal force of the members caused by various working conditions after running on the background arch bridge. It is concluded that working condition three （two reverse directions and one forward direction） has the least impact on the safety performance of the arch bridge structure in the artificial drainage and blockage removal scheme， and certain suggestions are given when the blockage of the concrete-filled steel tube arch bridge is involved in the future.

Key words：blockage removal scheme; concrete-filled steel tube arch bridge; safety

随着时代的快速发展，城市交通拥堵与经济的发展矛盾越发严重，如何解决交通拥堵问题已成为社会的研究热点[1-5]。人为干预交通疏导作为解决城市交通拥堵的主要手段，担负着重要的角色。但是人为干预交通疏导在施行过程中，主要凭借疏导人员的主观意识来采取一定的疏导方式来排堵，但是如果涉及到桥梁结构，采取何种方案可在保证快速排堵的同时又不影响或者不降低桥梁结构安全性是一个重要的研究课题[6-10]。邱英浩[11]对上海市区高架道路交通排堵方案以及效果进行了分析。王永明[12]对主要交通流参数对堵塞传播的影响规律进行研究。程晨[13]基于路网拓扑结构的分区抗堵塞对交通选择模型进行研究。刘欢[14]研究了在静力荷载、动力荷载作用下桥梁结构参数的变化情况对桥梁结构的安全性影响。李文杰[15]根据我国公路桥涵设计规范中的极限承载限制提出新的调整系数，从而对桥梁结构的安全性进行分析。但是很少有学者对交通排堵方案对桥梁结构安全性进行研究。

文章对双向六车道钢管混凝土拱桥单方向堵塞后的排堵方案进行分析后总结出4种工况，分别在大型有限元软件Midas Civil中进行模拟分析，对其在某一拱桥上运行后引起的拱桥振动以及构件内力的影响进行研究，希望得出的结论对钢管混凝土拱桥发生堵塞进行排堵时排堵方案的选择给出一定的建议。

1 理论计算

将排堵方案中的车辆荷载比作动荷载，通过拱桥结构的动力分析计算拱桥结构的动力响应，从而研究何种排堵方案对拱桥结构的振动影响最小。文章所使用的动力方程为：

式中：[M]为质量; [K]为刚度;[C]为阻尼。

文章研究对象为双向六车道拱桥结构，而移动车辆荷载在排堵过程中相比较于桥梁结构而言影响非常小，因此本次分析中忽略车辆荷载对式（1）中各因素的影响。即默认所有排堵方案施行时矩阵[M] [K][C]是不变的，这样就控制唯一變量{F（t）}是随时间变化的。在有限元模拟中将车辆荷载模拟为不同时间作用在不同节点的动力节点荷载，从而每个节点荷载都在随时间变化而发生变化，再根据车辆荷载在车道上行驶的特点，即在某一位置加载后又快速的释放。文章在模型模拟中将车辆荷载的运行模拟为等腰三角形荷载，这样基本能够还原车辆在车道上行驶的状态，三角形荷载如图1，其中F为轴重，t1与t2分别为车辆荷载通过该节点的所需的时间，该时间与车辆运行速度相关。

2 有限元模型与排堵方案分析

文章以某钢管混凝土拱桥为有限元模型，主跨长为65m，主跨失高30.5m，桥面的总宽度22.5m。该拱桥的主拱肋为钢管混凝土结构，用软件Midas Civil对该拱桥进行有限元模拟，如图2所示，模拟完成共509个节点，667个单元，钢管混凝土拱肋用梁单元模拟，外部用Q235钢材，直径0.8m，厚度0.01m，内部填充C40混凝土。拱桥吊杆利用直径0.05m的1570钢绞线进行模拟。

经调研分析后将涉及到桥梁的排堵方案进行归纳总结成4种工况，假设桥梁一侧车辆堵塞在另一侧进行排堵的人为疏导方式。具体4种人为疏导的排堵方案如图3所示。在分析过程中车辆参考《公路桥涵设计通用规范》中车辆荷载模型的规定，在文章的分析研究中取三轴车辆模型，总重量550 kN，其中前轴重30kN，中轴重240kN，后轴重280kN。

3 排堵方案对拱桥安全性的影响

根据上文所示4种人为疏导排堵方案的工况分别在有限元分析中进行模拟，来研究对桥梁结构安全性能的影响。计算时，车辆荷载在排堵方案中的运行速度采取车速40km/h。车道板在模拟过程中间距每2.5m取一个节点动荷载位置，根据上文所述三角形荷载求的t1=0.225s，t2=0.45s。将模拟计算时间步长设为0.01s，本次模拟车辆通过该钢管混凝土拱桥的总时长5.85s。

钢管混凝土拱桥中的主拱肋跟吊杆是主要的受力构件，从而拱肋轴力与吊杆轴力的变化状态关乎着整个拱桥结构安全性，所以将主拱肋与吊杆的受力变化作为本次研究的主要因素，然后对工况一进行分析。图4为拱桥主拱肋跨中位置99单元处轴力的时程曲线，由图4可知在40km/h的速度疏导交通堵塞拱肋轴力最大值发生在车辆荷载通过拱桥结构跨中位置时刻，即4.23s时拱肋发生最大轴力为20.75kN。图5为拱桥跨中吊杆139单元处轴力的时程曲线，由图5可知在40km/h的速度疏导交通堵塞拱肋轴力最大值发生在车辆荷载通过拱桥结构跨中位置时刻，即4.23s时拱肋发生最大轴力为9.82kN。

据此，对上文中4种工况进行分析，分别得出每种工况所对应的拱肋与吊杆的轴力时程分析，找到最大值点的变化规律来研究4种人为疏导的工况对拱桥结构安全性的影响。限于篇幅所限文章仅列出拱肋1/4、3/4以及跨中处拱肋单元、吊杆单元的轴力在4种工况下的最值，图6为各拱肋单元在4种工况下轴力最值变化，图7为各吊杆单元在4种工况下轴力最值变化。

由图6、7分别对4种工况下拱肋与吊杆的轴力最值变化可知，在拱肋轴力最值变化中，工况3引起的拱肋最值在1/4、3/4以及跨中处拱肋单元位置处都是最小的，工况2与工况4次之，工况1引起的拱肋轴力最大。即从拱肋轴力最值判断如要人为疏导堵塞交通优先选用工况3排堵方案，此方案对拱桥结构安全性能影响小。在4种工况对吊杆影响与拱肋是类似的，引起吊杆单元轴力在1/4、3/4以及跨中位置处最值轴力的也是工况3，而且从图7中判断工况3、2与工况4、一中间出现空白期，说明在吊杆轴力中工况2、3的排堵方案要在一定程度上优于工况4、1，对拱桥结构的安全性能影响越小。

4 结论

桥梁结构在运行中的安全性能关乎着城市的公共安全，对双向六车道钢管混凝土拱桥单方向堵塞后的排堵方案进行分析后总结出4种工况，分别在大型有限元软件Midas Civil中进行模拟分析，对其在某一拱桥上运行后引起的拱桥振动以及构件内力的影响进行研究，得出在人为疏导排堵方案中工况3对拱桥结构的安全性能影响最小，在日后涉及到拱桥堵塞时人为疏导交通的排堵方案如能够按照工况3进行，对桥梁结构的影响最小，能够更好的保护桥梁结构。

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