移動荷載作用對拱橋耐久性的影響

劉安勝 王學(xué)敏 劉建軍

摘 要：當(dāng)前，我國交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅速，行車速度和車輛載重日益提高，移動車輛對橋梁結(jié)構(gòu)的動力作用也越來越不容忽視。長期以來，橋梁設(shè)計都是基于靜力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，重點(diǎn)放在各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度要求，對行車產(chǎn)生的動力交變荷載的影響并未足夠重視。較大的動力交變荷載會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞和耐久性降低，從而影響橋梁的使用壽命。本文采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行建模分析。有關(guān)報告顯示，40%的拱橋在荷載試驗(yàn)時沖擊系數(shù)都在1.4以上，車輛通過時振動感明顯。構(gòu)件在長期交變荷載作用下產(chǎn)生的裂縫和其他損壞，往往與許多因素耦合在一起，最終導(dǎo)致混凝土構(gòu)件鋼筋銹蝕等而引發(fā)安全事故。

關(guān)鍵詞：靜力分析;移動交變荷載;耐久性

拱橋是公路建設(shè)中采用最多的橋型之一。在我國西南部地區(qū)，山高谷深，地勢起伏大，地質(zhì)條件良好，修建大跨徑鋼筋混凝土拱橋能較好地適應(yīng)山區(qū)地形，充分利用巖石地基的承載能力，且結(jié)構(gòu)造型美觀，易與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，因而與其它橋型相比往往具有明顯的優(yōu)勢，因此研究移動荷載對其動力性能和耐久性的影響，對于拱橋的設(shè)計、施工、運(yùn)營具有指導(dǎo)意義。

但是在移動荷載的作用下，由于移動荷載的特性——大小、方向基本保持不變，作用點(diǎn)隨著荷載的移動而改變，荷載位置的變化，而引起結(jié)構(gòu)各處的反力、內(nèi)力、位移等的變化，當(dāng)荷載處在某一位置時，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利影響。在最不利位置突然啟動、緊急制動等會使結(jié)構(gòu)的破壞加劇，不同的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷各有不同。對于鋼橋，損傷嚴(yán)重的是鋼構(gòu)件之間的連接，對于系桿拱橋，則主要造成吊桿的失效。

1工程概況

本文以貴州某高速上一座上承式鋼筋混凝土拱橋?yàn)橐劳校瑯蛐筒贾萌鐖D1所示。拱軸系數(shù)為1.756，主橋采用跨徑組合為30m+125m+30m的上承式鋼筋混凝土拱橋，計算矢跨為125m，矢高25m，矢跨比。

2結(jié)構(gòu)模型的建立及計算

根據(jù)設(shè)計圖紙，利用Midas2019建立有限元模型，對拱橋的受力進(jìn)行數(shù)值模擬，分析靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等參數(shù)值，并對移動荷載（車輛荷載）作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及位移等進(jìn)行分析，對比在移動荷載（車輛荷載）和靜力荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力變化，以及移動荷載最不利位置結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移值變化。

2.1只在靜力荷載作用下

當(dāng)荷載只承受靜力荷載時，此時結(jié)構(gòu)的反力、內(nèi)力及應(yīng)力如圖所示。

2.2在靜力荷載及移動荷載共同作用下

3計算結(jié)果分析

由計算數(shù)據(jù)可得，結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下和靜力荷載加移動荷載作用下的受力情況有所不同。具體表現(xiàn)在：靜力荷載加移動荷載作用下拱腳處豎向的最大支反力為39721.4KN，水平推力最大值為45231.1KN;只在靜力荷載作用下拱腳處豎向的最大支反力為38219KN，水平推力最大值為43485.9KN，豎向最大支反力的增長幅度為3.93%，水平推力的增長幅度為4.01%。靜力荷載加移動荷載作用下主拱圈的最大正彎矩值21310.2KNm，負(fù)彎矩最大值為-7430.12KNm;只在靜力荷載作用下正彎矩最大值為16021.7KNm，負(fù)彎矩最大值為-12599.6KNm（“-”只表示方向）。由于移動荷載的作用，使正彎矩增加了33.0%，負(fù)彎矩反而減小了69.6%。在靜力荷載加移動荷載作用下拱圈處于全截面受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值為8900.64KPa，只在靜力荷載作用下的最大壓應(yīng)力值為9495.55KPa，在移動荷載加靜力荷載作用下應(yīng)力減小了6.68%。在靜力荷載加移動荷載作用下拱圈拱頂?shù)牡奈灰浦蹬c只在靜力荷載作用下相比變化不大。

4 結(jié)論

由以上數(shù)據(jù)分析得出，移動荷載對于橋梁結(jié)構(gòu)物的作用表現(xiàn)在不是單一的作用，它是與其他作用耦合在一起，可能對結(jié)構(gòu)的某些方面產(chǎn)生不利影響，也可能產(chǎn)生利于結(jié)構(gòu)的影響。

在移動交變荷載的作用下，對橋面板結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)在造成橋面板破損、鋪裝層開裂，導(dǎo)致鋪裝結(jié)構(gòu)劣化嚴(yán)重，進(jìn)而影響主體結(jié)構(gòu)的受力安全。由于鋪裝層的破損，導(dǎo)致雨水下滲以及其他雜質(zhì)侵襲橋梁結(jié)構(gòu)主體，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，保護(hù)層脫落，主體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步暴露自然環(huán)境中，加劇主體結(jié)構(gòu)的破壞。

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