基于汽车荷载适宜性的公路桥梁设计方法

总结了我国公路桥梁设计的汽车荷载标准发展历程及其研究背景,在我国目前汽车超载和重载问题非常普遍的现实条件下,提出结合实测汽车荷载信息开展桥梁设计的思路,探讨了不同跨径桥梁的汽车荷载效应分析方法,讨论了车辆限载的影响,从而归纳了公路桥梁设计的汽车荷载适宜标准,为更加准确的桥梁设计与评估提供参考。     

拱桥汽车设计荷载标准分析

分析了超载车辆对桥梁的影响与现行规范即《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中的汽车荷载标准对公路上运营车辆荷载的适用性,研究了广深高速公路车辆荷载的动态称重系统(WIM)实测数据,利用Monte Carlo方法模拟随机车辆荷载和随机车辆间距,编制了随机车队加载效应计算程序,计算了无铰拱跨中和拱脚截面的弯矩效应,采用极大值分布原理求得荷载效应在设计基准期内的标准值,给出基于WIM实测数据的汽车荷载标准模型,并与现行规范中的设计荷载标准进行对比。计算结果表明:推荐车道荷载作用效应对实测荷载效应包容性和适用性良好,拱桥跨中弯矩误差小于7%,当跨径为25~65、110、120m时,拱脚弯矩误差为5%~11%,其余跨径时的拱脚弯矩误差小于5%;基于广深高速公路实测荷载推定的荷载标准与现行规范中公路-Ⅰ级车道荷载在无铰拱上产生弯矩效应的比值为1.24~2.18,平均比值为1.80,说明广深高速交通量大,车辆超载超限严重,根据实测车辆荷载推断的荷载标准与现行规范荷载标准出现了较大偏差,广深高速桥梁设计荷载标准应在现有规范基础上适当提高。     

九江长江大桥疲劳荷载谱研究

将九江长江公路大桥实测的21类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱,依据等效疲劳损伤原理,简化成由7类模型车辆组成的具有实用性的荷载频值谱,该结果对类似的其他公路钢桥的疲劳损伤度验算具有一定的参考价值;所建立的疲劳荷载车辆模型,可供九江其他市桥梁疲劳损伤验算或疲劳设计时参考。     

苏通大桥运营阶段车辆荷载识别及其特性

车辆荷载是桥梁承受最主要的活荷载。对于大跨径桥梁正交异性钢箱梁而言,车辆荷载对其疲劳特性将产生非常明显的影响,在长期车辆反复作用下,钢箱梁的疲劳问题日益突出。为了更好预测正交异性钢箱梁的疲劳特性,必须充分了解车辆荷载特性。以苏通大桥为背景,通过对收费系统数据的统计分析,获得了车辆荷载特性。同时,利用桥梁监控设备,结合动态图像识别技术,获得了大桥车辆横向分布规律。相关研究手段和方法,可为缺乏WIM系统的大型桥梁提供参考。     

苏通大桥运营阶段车辆荷载识别及其特性

车辆荷载是桥梁承受最主要的活荷载。对于大跨径桥梁正交异性钢箱梁而言,车辆荷载对其疲劳特性将产生非常明显的影响,在长期车辆反复作用下,钢箱梁的疲劳问题日益突出。为了更好预测正交异性钢箱梁的疲劳特性,必须充分了解车辆荷载特性。以苏通大桥为背景,通过对收费系统数据的统计分析,获得了车辆荷载特性。同时,利用桥梁监控设备,结合动态图像识别技术,获得了大桥车辆横向分布规律。相关研究手段和方法,可为缺乏WIM系统的大型桥梁提供参考。     

货运繁重公路的车辆荷载谱和疲劳车辆模型

为研究货运繁重公路的车辆荷载谱和疲劳车辆模型,基于佛山平胜大桥的动态称重系统采集的多时段车流数据,归类出了车辆荷载谱的10类代表车型,分析了代表车型的轴距、质量、轴重和超载数据,以及沿不同车道的车辆和轴重分布特性,提出了可用于钢桥疲劳评估的车辆荷载谱;以疲劳加载率最大的六轴车辆为原型,基于疲劳损伤等效原则分别提出了桥梁单向重载车道的疲劳车辆模型和简化疲劳车辆模型。计算结果表明:平胜大桥呈现货运繁重公路的典型特征,车辆日均通行总量达到了45 065veh,约为《AASHTO LRFD》定义的日均通行量20 000veh的2.3倍;疲劳车辆在全部交通流中的比例为51.6%,为《AASHTO LRFD》定义的20.0%的2.6倍;货车占疲劳车辆总数的45.2%,主要分布于重载车道,而且通行货车超载比例占到相应车型的30%~70%,最大超载货车达到了132.5t;两轴货车超载率为29.0%,等效质量达到17.5t,后轴等效轴重达到12.1t,因而不能忽略两轴货车的疲劳加载贡献。对比《AASHTO LRFD》五轴标准疲劳车辆模型(前轴轴重为2.6t,中间双联轴和后面双联轴的单轴轴重均为5.4t)和简化标准疲劳车辆模型(前轴为2.6t,中轴和后轴均为10.8t),提出的六轴单向疲劳车辆模型总质量为33.1t,前轴轴重为3.6t,中间双联轴和后面三联轴的单轴轴重均为5.9t;简化单向疲劳车辆模型的前轴轴重为3.6t,中轴和后轴分别为11.8、17.7t;针对重载车道提出的六轴疲劳车辆模型总质量达到了36.5t,前轴轴重为4.0t,联轴中的单轴轴重均为6.5t;对应的重载车道简化疲劳车模型的前轴轴重为4.0t,中轴和后轴轴重分别为13.0、19.5t。     

重载交通下空心板桥梁承载能力安全性

基于河北省宣大高速长达18个月的动态称重数据,从中分离出特重车辆荷载数据,分析了车辆的质量、速度、到达时间与位置等关键荷载参数的分布特性;提取了特重车辆典型车型,分析了各车型轴重分布;采用桥梁动力分析系统对883个特重车辆荷载工况进行动态可视化仿真,通过空心板桥结构响应与设计汽车荷载效应的对比,分析了特重车辆荷载与设计汽车荷载的差异,并通过考虑恒载效应与特重车辆荷载效应的组合,研究了重载下空心板桥梁的承载能力安全性。分析结果发现:正弯矩效应极值与设计值之比达到了2.09,剪力效应极值与设计值之比达到了1.97,说明实际中最大特重车辆荷载已明显超越设计汽车荷载;正弯矩效应均值、剪力效应均值与设计值之比接近1.0,说明实际中平均特重车辆荷载与设计值比较接近;抗弯与抗剪承载力评估指标分别在0.50、0.40上下浮动,其极值分别在0.72、0.50上下浮动,说明按照当前设计水平建造的空心板桥梁能够满足重载交通下的运营安全性,抗弯承载能力较抗剪承载能力具有更大的冗余度;承载能力评估指标随跨径变化未出现明显的增减趋势,说明冗余度水平随跨径的增大基本保持稳定。     

大跨钢桁拱轨道横梁半刚性连接的疲劳荷载

为评定公路与轻轨两用钢桁拱桥轨道横梁与主桁半刚性连接在车辆荷载作用下的疲劳损伤累积,对该构造细节在桥梁设计寿命期内车辆荷载产生的疲劳荷载谱的计算方法进行了研究.针对我国公路桥梁设计规范暂无疲劳荷载规定的情况,参照美国AASHTO规范,建立了反映桥梁设计寿命期内真实运营状况的疲劳荷载模型,并通过全桥三维有限元分析计算了该构造细节的荷载历程.根据疲劳损伤累积理论,确定了钢桁拱轨道横梁与主桁半刚性连接的疲劳试验荷载.     

基于动态称重技术的中小跨径桥梁最不利车辆荷载研究

当工业重型车辆通过中小跨径桥梁时,往往会造成比规范规定值大得多的荷载效应,因此在桥梁设计尤其是承载能力评估时,应当合理地选择车辆荷载进行复核验算。文章首先提出了最不利车辆荷载的概念,然后基于大量实测动态车辆荷载数据,通过综合评定车辆荷载构成及其效应的方法,给出了国内外最不利车辆荷载的实测记录,最后通过与规范规定值的比较,初步验证了该文所确定最不利车辆荷载构成的合理性。     

基于路面不平整度的车辆动荷载影响分析

为探讨在路面不平整度激励条件下对多轴重载车辆产生动荷载的影响,该研究从路表纵断面的波形状态入手,采用带有平衡悬架结构的三轴和四轴重载车辆模型,建立车辆振动模型的运动微分方程,采用动荷载均方根和动荷系数来分析不同路面工况和行驶工况对车辆动荷载的影响。研究结果表明：当车速在某范围内时,车辆系统的固有振动频率会接近路面不平整度的激励频率,导致动荷载达到最大。动荷系数一般在空载时最大,满载时次之,超载时最小,并应考虑车辆静荷载和动荷载的联合作用对路面结构的影响。车辆越重,其振动频率与路面不平整度激振频率越接近,产生共振的速度越小。对于这两种车型,其产生动荷载的最不利路面波长分别为9 m和12 m。该研究成果可为动载作用下路面结构响应研究提供参考。     

基于POT理论的城市桥梁车辆荷载效应研究

车辆荷载效应是桥梁设计中重要的技术指标之一,是对拟建桥梁荷载取值和现有桥梁安全性评估的重要依据。结合调查地区的车辆荷载数据,提出了相应的车辆荷载模型,运用蒙特卡洛法模拟密集和拥堵运行状态下荷载流,以各跨径简支梁桥(10～60m)跨中弯矩值为研究对象,进行影响线加载计算;运用Peak Over Threshold(POT)理论对效应尾部数据进行分析,由极值理论外推得不同设计基准期内车辆荷载效应值,并与《城市桥梁设计规范CJJ11-2011》规范值作对比分析,结果表明:密集运行状态下不同设计基准期内外推值是规范值的1.13～1.38倍,拥堵运行状态下是规范值的1.18～1.46倍。     

我国铁路列车荷载谱和桥梁结构效应谱的研究

本文在调查研究的基础上,将我国铁路运营机车和车辆分别模拟成4种理论机车模型和7种理论车辆类型,并根据我国铁路的运营状况和对部分铁路编组站列车编组资料的统计分析,将我国铁路运营列车归纳成4大类（混合货运列车、运煤列车、液罐列车和旅客列车）和4个编组级别（轻载、中载、重载、重载组合）共15种典型列车,并借助Monte Carlo随机模拟方法建立了这15种典型列车的理论模型,阐明了以典型列车建立列车荷载谱和桥梁结构产应谱的具体方法。本文推算出的应力脉谱与现场实测值的比较表明,上述方法既简便可行又灵活实用,可供修订桥梁疲劳设计规范参考。     

水泥混凝土路面破损状况对重载车辆动荷载的影响分析

由于刚性路面减振效应低,随着车辆载重逐渐增加,水泥混凝凝土路面破损情况逐渐加重。因此,现以福田欧马双轴车为研究目标,通过ADAMS软件建立整车动力学模型,以不同错台高度、不同行驶车速、不同车身重量3个参数变量研究重载车辆在不同路面环境下,车辆动荷载变化情况。研究表明:错台路面对车辆动荷载影响显著,在相同错台高度下前轮的动荷载比后轮大,其前轮动荷载最大为静荷载的2.35倍;在同一错台高度下,随着车速的提高车辆动荷载增大;当路面错台十分严重时,路面不平度成为影响车辆动荷载大小的主要因素,车速成为次要因素;而当路面错台较小时,车速对车辆动荷载的变化起决定作用;载重对车辆动荷载有明显影响。载重越大,车辆动荷载越大,但车辆动荷载系数越小。     

荷载和变温综合作用下沥青路面非线性疲劳损伤研究

介绍了沥青路面的非线性特征以及描述材料疲劳寿命的不同数学模型,探讨了损伤与荷载和温度的关系。在收集气象资料、实测沥青层各深度范围内温度状态以及与最大拉应变相关性分析的基础上,提出以沥青层层底温度作为疲劳损伤分析的设计温度,并通过回归分析建立疲劳温度与气温和层厚的预估模型。最后通过基于Chaboche疲劳模型的ABAQUS有限元程序,对车辆荷载和变温综合状态以及仅车辆荷载状态下的沥青路面进行疲劳损伤比较分析,结果表明,考虑荷载和变温综合作用的疲劳损伤要远大于仅考虑荷载的情况,当超载一倍时,损伤程度更加严重。     

简支变连续桥梁的动力性能研究

为保证简支转连续桥梁具有良好的动力工作性能,需要了解其在移动车辆荷载作用下的动力响应。本文针对目前公路上常见的不同跨径、不同宽度、不同截面形式、不同体系的简支转连续桥梁,在不同的常见车辆模型、不同车辆速度作用下,利用车桥耦合振动程序,计算分析该类桥梁在车辆荷载作用下的动力响应,并通过振幅、加速度等指标来评价其动力工作性能。     

结合面底部设开孔钢板的铰接空心板力学性能

针对现有铰接空心板桥的薄弱部位——铰缝,提出一种在空心板与铰缝结合面底部设开孔钢板的空心板构造,通过开孔钢板改变结合面裂缝开展的路径,达到延缓空心板与铰缝结合面通缝形成的目的,并进行了8m跨径的铰接空心板足尺模型试验。在试验和非线性有限元分析的基础上,与结合面底部带钢筋的铰接空心板试验进行了对比。分析结果表明:当试验荷载为100kN(1.43倍车辆荷载)时,空心板跨中出现横向裂缝,空心板梁整体刚度降低,空心板受力状态由弹性阶段进入弹塑性阶段;在试验荷载加至300kN(4.29倍车辆荷载)为止的整个加载过程,未观察到空心板与铰缝结合面底部出现裂缝;当结合面底部设门式钢筋时,裂缝沿结合面从下向上扩展,最终形成通缝,然而,当结合面底部设开孔钢板后,铰缝沿结合面开裂至开孔钢板下方后,裂缝的扩展需要绕过开孔钢板,使得开孔钢板下方铰缝混凝土开裂后,再沿开孔钢板上方结合面向上扩展,形成通缝;铰缝开裂荷载由结合面设置钢筋的69kN(0.99倍车辆荷载)提高到314kN(4.49倍车辆荷载),提高了3.50倍;铰缝形成通缝时的荷载由结合面设置钢筋的199kN(2.84倍车辆荷载)提高到489kN(6.99倍车辆荷载),提高了4.51倍。可见,在结合面底部设开孔钢板后,铰缝裂缝开展路径发生变化,延缓了空心板与铰缝结合面的开裂。     

结合面底部带门式钢筋的铰接空心板破坏模式分析

以在空心板与铰缝构造结合面底部布设门式钢筋的深铰缝构造为研究对象,参照2007年交通运输部颁布的装配式空心板桥标准图,设计了一跨8m足尺模型,通过试验和非线性有限元法分析了车辆荷载作用下铰接空心板破坏类型、破坏位置与开裂荷载等破坏模式。分析结果表明:试验验证了铰接空心板非线性有限元模型能较好地模拟铰接空心板在车辆荷载作用下的受力性能;在空心板与铰缝结合面的三个方向的黏结滑移关系中,应以竖向相对滑移量作为结合面黏结破坏失效的指标;在车辆荷载作用下,空心板与铰缝结合面是最薄弱的受力部位,当荷载达到69kN(0.99倍车辆荷载)时,空心板与铰缝结合面底部开裂,但当荷载达到85kN(1.21倍车辆荷载)时,空心板跨中截面底部才出现横向裂缝;与在结合面底部不设门式钢筋的空心板相比,在结合面底部设置门式钢筋后虽不能明显提高铰缝构造的开裂荷载,但可以将铰缝通缝荷载从140kN(2.00倍车辆荷载)提高至199kN(2.84倍车辆荷载),且不出现贯通的纵桥向裂缝。     

重载交通条件下的桥梁荷载效应分析

随着车辆载重量的不断增加,桥梁易发生坍塌、断裂等事故,威胁了来往车辆行驶安全。针对上述情况,为保证桥梁安全,延长其使用寿命,对重载交通条件下的桥梁荷载效应进行分析具有重要的现实意义。本次分析主要分为四步骤:第一对桥梁上来往车辆荷载情况进行调查,得出车间距、车重以及车辆类型等数据;第二利用蒙特·卡罗方法生成车辆拟合荷载流;第三通过MidasCivil软件建立桥梁结构模型;第四利用梁格法计算桥梁荷载效应。     

三线合一、三塔悬索桥风-车-桥耦合振动性能对比

以某三线合一、三塔悬索桥的2种设计方案(钢箱桁和钢桁方案)为工程背景,通过车桥系统节段模型风洞试验,测试了车辆和桥梁的三分力系数,并基于风-车-桥系统空间耦合动力学模型,采用自主研发的桥梁分析软件BANSYS,对比分析了该桥的结构动力特性与风-车-桥耦合振动性能。分析结果表明:三线合一、三塔悬索桥结构自振频率较低;车辆气动力受轨道位置的影响较大,钢桁方案迎风侧车辆阻力系数约为钢箱桁方案的2.2倍;当风速为0时,桥梁、车辆的动力响应总体上是随车速的增大而增大,在同一车速下,钢桁方案的桥梁位移较钢箱桁方案大,主要是由于钢桁方案的桥梁整体刚度略弱于钢箱桁方案;当考虑风速影响时,桥梁的横向响应随风速的增大而显著增大;车辆位于迎风侧,风速为25m·s~(-1)时,钢箱桁方案和钢桁方案的桥梁横向位移约分别为风速为15m·s~(-1)时的位移的2.4倍和3.8倍,横风对桥梁的横向响应起主导作用;同一风速时钢桁方案的桥梁响应总体上较钢箱桁方案大;同一方案时车辆响应随风速的增大而增大,当风速达到25m·s~(-1)时,车辆动力响应显著增加,相比15m·s~(-1)时最大增加幅度为71.6%。     

水泥混凝土凹坑路面破损对重载车辆动荷载影响分析

水泥混凝土路面在使用过程中因车辆过载作用会加速破损,为分析路面破损状况对重载车辆动荷载变化,以福田欧马S5双轴车为研究对象,基于"1+2型"四自由度车辆振动模型,借助ADAMS软件对在不同凹坑路面破损状况、不同载重、不同车速的共同作用下,分析了破损水泥路面对重载车辆的动荷载影响。研究表明:在同一凹坑深度下,随着车速提高,车辆动荷载增大,其最大动荷载是静载的1.93倍;随着载重增加,同一深度下车辆动荷载增大,动荷载系数减小,凹坑深度在50～60 mm范围内,车辆最大动荷载是静载的1.49倍,此刻对于车轮,凹坑路面的破损程度对重载车辆的行驶平顺性产生了严重干扰。