施工阶段π形断面斜拉桥在特种车辆作用下的应力研究
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作者:方新潮 王俊 谢泽恩
摘要：为研究在施工阶段特种车辆对桥梁应力的影响，文章以某π形断面斜拉桥为研究对象，分别建立Midas Civil和ANSYS有限元模型，对不同车轴数的特种车以及其车道位置进行数值模拟。结果表明：主梁的顺桥向应力随着特种车辆轴数的增加而增加；特种车辆沿硬路肩行进时主梁产生的应力最小。本研究可为同类桥梁建O提供参考。
关键词：桥梁工程；特种车辆；数值模拟；应力；轴重；车道
中图分类号：U448.27-A-52-162-5
0 引言
在桥梁建设过程中，梁段预制厂与桥位可能相距较远且只布置在桥址一侧。考虑到建设和运输成本，需要从新建桥上通过特种车辆以节约成本造价。通常情况下，建设方会选择桥中心进行特种车辆的运输，但考虑到桥梁断面形式为π形断面，该断面中间部位较为薄弱，特种车辆经过可能会产生较大应力，从而导致桥梁出现裂缝，造成不必要的经济损失，甚至是安全事故，因此有必要对特种车辆作用下的π形斜拉桥的响应进行研究［1-3］。
Fu［4］等分析了客货车等活载对桥梁的作用；Kwon［5］等研究了AASHTO LRFD桥梁设计规范中卡车荷载作用下桥梁的响应；宗雪梅［6］等调查分析了超重荷载对公路桥梁的影响，给出了超载和超限的函数关系。综上所述，目前，对特种车辆过桥的问题研究较少。
本文以某π形截面斜拉桥为研究对象，针对该斜拉桥在合龙后的施工阶段，采用特种车辆运输超重物件时，分析主梁的应力分布规律，并以此来判断特种车过桥时的安全性。通过建立有限元模型，模拟特种车辆不同车轴数以及行驶路线，并将有限元模型中的计算结果进行对比分析，以此研究上述两种因素变化对于π形断面桥梁的顺桥向应力影响。
1 工程背景
研究对象为双塔整幅混凝土梁斜拉桥，跨径布置为（90+210+90）m=390 m，边中跨比为0.43。斜拉索采用空间索面布置，梁端标准索间距为8.0 m，边跨靠近尾索区索间距为5.3 m。主梁采用C55混凝土，轴心抗拉强度设计值为1.89 MPa［7］。索塔塔柱采用混凝土（C50）门式塔，总高为85.127 m，由下塔柱、上塔柱、上横梁和下
横梁组成。索塔采用哑铃型承台，桩基采用C35海工混凝土，均为嵌岩桩且伸入承台0.2 m。桥型布置如图1所示，π形断面尺寸如图2所示。
2 工况设计
2.1 轴重工况
考虑五轴车和50 m T梁、八轴车和50 m T梁两种计算工况，分析特种车辆沿桥梁中心线行进时的主梁应力。八轴车布置，如图3所示。
2.2 车道工况
由于ANSYS软件建立的实体有限元模型可以较好地分析局部应力分布，因此利用ANSYS计算特种车辆沿不同车道行进时的主梁应力（仅考虑车辆单独产生的应力）。车道布置如图4所示，车道工况如表1所示。
3 有限元模型
3.1 Midas单梁模型
Midas Civil的有限元模型共有739个节点、500个梁单元、96个桁架单元、12个弹性连接、102个刚性连接、40个一般支撑。具体建模方法为：（1）采用空间梁单元模拟桥塔、主梁、承台以及桩基础；（2）采用空间桁架单元模拟斜拉索；（3）采用刚性连接来模拟斜拉索与主梁之间的连接；（4）采用弹性连接来模拟支座；（5）其他边界条件采用支撑条件模拟。如图5所示。
3.2 ANSYS实体模型
ANSYS的有限元模型共有63 190个节点、326个梁单元、31 326个实体单元、1 468个杆单元。具体建模方法为：（1）用Beam4单元模拟桥塔、承台以及刚臂；（2）用Link10单元模拟斜拉索；（3）用Link8单元模拟纵、横向预应力钢束；（4）用shell63单元模拟横隔板；（5）用solid45单元模拟π型主梁。如图6所示。
3.3 模型检验
由关键振型和主梁跨中挠度的对比结果可知：该桥的ANSYS实体模型与Midas Civil单梁模型的误差较小，如表2 和表3 所示，验证了两套模型的可靠性。因此，将ANSYS有限元模型用于局部应力分析。
4 分析讨论
4.1 轴重影响
由Midas模型计算轴重工况下的主梁应力分布和跨中挠度，如图7～10所示，仅考虑车辆沿车道1行进。
五轴车和50 m T梁的计算参数为：总重247 t、轴重24.7 t、轴距1.3 m、轮距2.89 m。该工况下，挠度验算得出最大挠度值为57.3 mm，根据跨径算得限值为350 mm，故满足挠度验算要求［2］（见图7～8）。
八轴车和50 m T梁的计算参数为：总重264 t、轴重16.5 t、轴距1.24～1.50 m、轮距3.22 m。该工况下，主梁应力分布如图9～10所示，挠度验算得最大挠度值为60.2 mm，根据跨径算得限值为350 mm，故满足挠度验算要求［2］。
根据Midas Civil软件的计算结果，在不同轴重和轴距的工况下，主梁的上、下缘的最大拉、压应力均满足承载能力要求。结果如表4所示。
4.2 车道影响
4.2.1 顺桥向应力
根据表1，使用ANSYS模型分析特种车辆沿不同车道行进对关键截面顺桥向应力的影响，如图11～13所示。研究发现：特种车辆沿硬路肩行驶时，所产生的顶板截面的顺桥向应力最小，这一点可能与π形断面的结构特点有关；五轴车和八轴车对关键截面顺桥向应力的影响规律大致相同。
4.2.2 横向应力
使用ANSYS模型分析特种车辆沿不同车道行进对关键截面横向应力的影响，如后页图14～16所示。研究发现：特种车辆沿硬路肩行驶时，所产生的横向拉应力是所有工况中最小的；在运输50 m T梁时，五轴车产生的横向拉应力大于八轴车产生的横向拉应力；顶板截面的横向应力小于顺桥向应力。
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4.2.3 扭转角度
使用ANSYS模型分析特种车辆沿不同车道行进对主梁扭转角度的影响，如图17所示。研究发现：沿硬路肩行驶时，扭转角度最大；沿桥轴线行驶时，扭转角度最小；特种车辆沿不同车道行进时，跨中扭转角度最大。其中，八轴车+50 m T梁产生的扭转角度为0.117°，五轴车+50 m T梁产生的扭转角度为0.106°。
4.3 结果叠加
结合Midas Civil和ANSYS软件的分析结果，根据叠加原理，不同工况下的按标准组合包络的主梁关键截面的顺桥向应力变化情况如表5所示：
5 结语
本文利用Midas Civil和ANSYS软件，分析了某桥在特种车作用下的应力分布规律，研究发现：
使用Midas Civil软件的单梁模型计算特种车辆沿主梁轴线行进满足抗裂性要求，使用ANSYS软件的实体模型计算特种车辆沿不同车道行进，局部应力超出限值；主梁的顺桥向应力随着特种车辆车轴数的增加而减小；特种车沿硬路肩行进时主梁的应力响应最小。
参考文献
［1］范立础.桥梁工程（上册）［M］.北京：人民交通出版社，1996.
［2］JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范［S］.
［3］叶见瞩.结构设计原理［M］.北京：人民交通出版社，2005.
［4］Fu Gongkang，You Ji.Truck loads and bridge capacity evaluation in China［J］.Journal of Bridge Engineering，2009，14（5）： 327-335.
［5］Kwon O.S，Kim E，Orton S.Calibration of live-load factor in LRFD bridge design specifications based on state-specific traffic environments［J］.Journal of Bridge Engineering，2011，18（6）：812-819.
［6］宗雪梅，胡大琳，高 军.桥梁超重荷载与限载标准的确定［J］.长安大学学报（自然科学版），2008（1）：60-65.
［7］JTG D62-2018，公路筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.
作者简介：
方新潮（1982―），研究方向：公路工程施工与管理。
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