四川省大件荷載公路橋梁設(shè)計(jì)大件荷載計(jì)算要點(diǎn)

王崇漢， 姜 博

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610017)

1 相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范

隨著現(xiàn)代化大工業(yè)的發(fā)展，化工、石油、冶金和電力等工業(yè)所用設(shè)備的體積和重量日益增大，一件設(shè)備重量可達(dá)幾百噸，寬、高可6m左右，長可達(dá)幾十米。這類大件設(shè)備在水路、鐵路不能運(yùn)輸時(shí)，需要采用公路運(yùn)輸。

大件荷載等級(jí)的不斷提升對(duì)沿線橋梁的承載能力是項(xiàng)非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)，由于大件荷載較常規(guī)荷載對(duì)梁體產(chǎn)生的荷載效應(yīng)明顯提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除按常規(guī)荷載計(jì)算外，還應(yīng)用大件荷載標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的承載能力和應(yīng)力。然而在大件公路新建和改擴(kuò)建橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員只有參考JTJ021—89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、JTJ023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于大件荷載的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)行橋梁規(guī)范缺少關(guān)于大件荷載的橫向布置、持久狀況承載能力極限狀態(tài)、持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算的相關(guān)要求。

筆者參與了四川省內(nèi)多條大件公路的設(shè)計(jì)，根據(jù)筆者對(duì)大件公路橋梁計(jì)算的理解，并結(jié)合JTJ021—89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、JTJ023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)大件荷載的相關(guān)規(guī)定，提出大件公路橋梁大件荷載滿足現(xiàn)行規(guī)范JTGD60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》、《四川省大件公路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定》(2006年)的計(jì)算要點(diǎn)，希望能給相關(guān)從業(yè)人員帶來一些啟發(fā)。

2 大件荷載橫向布置

大件荷載的橫向布置對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)非常明顯，尤其偏載情況下，引起橋梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)和畸變效應(yīng)明顯大于常規(guī)汽車荷載，然而目前僅有《四川省大件公路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定》(2009年6月)給出了大件荷載的平板車輪距布置圖，未規(guī)定平板車車輪到護(hù)欄的距離，因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行大件荷載橋面橫向布置的時(shí)候往往具有隨意性。筆者經(jīng)過調(diào)查后發(fā)現(xiàn)在大件荷載的橫向布置方式主要有：

(1)大件運(yùn)輸時(shí)橫橋向車輛運(yùn)行在橋梁中部范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)單位一般按對(duì)稱布置。

(2)按照J(rèn)TJ021—89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》平板掛車橫向布置圖，按車輪到護(hù)欄的凈距為1.0m開始布置。

結(jié)合筆者的經(jīng)驗(yàn)，布載方式一未考慮偏載情況，亦未考慮偏載引起的橋梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，偏不安全；布載方式二考慮了偏載效應(yīng)，亦有規(guī)范可查，是較為合理的布置方式。建議采用布載方式二進(jìn)行橋梁計(jì)算分析。

3 大件荷載持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

在進(jìn)行大件荷載作用基本組合中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.2，大件荷載的分項(xiàng)系數(shù)按《四川省大件公路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定》(2009年6月)第十二條采用：對(duì)單體質(zhì)量不大于290t的貨物，驗(yàn)算時(shí)其荷載效應(yīng)組合系數(shù)取1.4；對(duì)單體質(zhì)量大于290t的貨物，驗(yàn)算時(shí)其荷載效應(yīng)組合系數(shù)取1.1，驗(yàn)算荷載不考慮沖擊系數(shù)。

大件公路橋梁大件荷載持久狀況承載能力極限狀態(tài)正截面承載力、最小配筋率、受壓區(qū)高度，斜截面承載力及構(gòu)造尺寸應(yīng)按JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。

4 大件荷載持久狀況正常使用極限狀態(tài)計(jì)算

對(duì)于構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，《四川省大件公路設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定》(2009年6月)未對(duì)其進(jìn)行規(guī)定，筆者認(rèn)為對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，對(duì)于普通鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，其計(jì)算方法予以補(bǔ)充。

規(guī)范JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》正截面抗裂驗(yàn)算按作用頻遇組合，汽車荷載頻遇系數(shù)取0.7，且汽車荷載不計(jì)沖擊系數(shù)，計(jì)算公式6.3.1-1、公式6.3.1-2、公式6.3.1-3只適用于汽車荷載。大件荷載橋梁正常使用階段驗(yàn)算時(shí)，汽車荷載頻遇系數(shù)取1.0，直接采用規(guī)范公式進(jìn)行驗(yàn)算，筆者覺得不妥，結(jié)合實(shí)際計(jì)算情況和筆者經(jīng)驗(yàn)，大件荷載作為驗(yàn)算荷載，其構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)可參照J(rèn)TJ023-85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)、歐洲混凝土協(xié)會(huì)可按下述原則計(jì)算：

4.1 全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件

在全部使用荷載最不利組合作用下，受拉區(qū)混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力。荷載組合系數(shù)均為1.0。

(1)在全部使用荷載最不利組合作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受拉區(qū)混凝土的最大拉應(yīng)力(扣除全部預(yù)應(yīng)力損失)應(yīng)滿足：σhl≤0。

(2)在全部使用荷載最不利組合作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力(扣除全部預(yù)應(yīng)力損失)應(yīng)滿足：σha≤0.6fck。

(3)在全部使用荷載最不利組合作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在計(jì)算混凝土主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)滿足：σzl≤0.9ftk，σza≤0.65fck。

(4)在全部使用荷載最不利組合作用下，構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力鋼絞線的應(yīng)力(扣除全部預(yù)應(yīng)力損失)應(yīng)滿足：σy≤0.70fPk。

4.2 A類有限預(yù)應(yīng)力構(gòu)件

在全部使用荷載最不利組合作用下，混凝土允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，但不超過其彎拉強(qiáng)度；在長期持續(xù)荷載作用下，混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力。荷載組合系數(shù)均為1.0。

(1)在全部使用荷載最不利組合作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受拉區(qū)混凝土的最大拉應(yīng)力(扣除全部預(yù)應(yīng)力損失)應(yīng)滿足：σhl≤0.9ftk。

(2)在全部使用荷載最不利組合作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力(扣除全部預(yù)應(yīng)力損失)應(yīng)滿足：σha≤0.6fck。

(3)在全部使用荷載最不利組合作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在計(jì)算混凝土主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)滿足：σzl≤0.9ftk，σza≤0.65fck。

(4)在全部使用荷載最不利組合作用下，構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力鋼鉸線的應(yīng)力(扣除全部預(yù)應(yīng)力損失)應(yīng)滿足：σy≤0.70fPk。

4.3 鋼筋混凝土構(gòu)件

在全部荷載最不利組合作用下，構(gòu)件混凝土允許出裂縫，但裂縫寬度不超過值(0.25mm)。荷載組合系數(shù)均為1.0。

對(duì)于裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁和裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁驗(yàn)算荷載可按A類有限預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，其它特殊結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

5 20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁計(jì)算示例

5.1 設(shè)計(jì)資料

橋面凈空：0.5m(防撞護(hù)欄)+19.0m(橋面凈寬)+0.5m(防撞護(hù)欄)。

設(shè)計(jì)荷載：公路—I級(jí)；驗(yàn)算荷載：尼古拉/水工窄系列29軸線4縱列車型。

設(shè)計(jì)安全等級(jí)：I級(jí)。

環(huán)境類別：I—B級(jí)。

環(huán)境的年平均相對(duì)濕度：80%。

5.2 材料規(guī)格

混凝土：預(yù)制小箱梁及梁間濕接縫采用C50混凝土。

鋼筋：采用HPB300、HRB400鋼筋。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線：采用符合GB/T5224-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》規(guī)定的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa。

5.3 小箱梁截面尺寸

(1)小箱梁橫斷面布置見圖1。

(2)預(yù)制小箱梁立面尺寸見圖2。

圖1 小箱梁橫斷面(單位：cm)

圖2 預(yù)制小箱梁立面(單位：cm)

(3)預(yù)制小箱梁截面尺寸見圖3。

圖3 預(yù)制小箱梁截面(單位：cm)

5.4 大件荷載計(jì)算成果

中梁、邊梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線8束5φs15.2mm，主筋采用HRB400鋼筋直徑16mm，共11根，箍筋采用HRB400直徑12mm，兩箍，梁端向跨徑方向長397mm，箍筋間距10cm，其余箍筋間距15cm。

(1)橫向分布計(jì)算：采用布載方式二，橫向分配系數(shù)支點(diǎn)采用扛桿法，跨中采用剛接板梁法計(jì)算，中梁跨中mz=0.287，支點(diǎn)mc=0.46；邊梁跨中mz=0.278，支點(diǎn)mc=0.292。

(2)持久狀況正常使用極限狀態(tài)正截面抗彎承載能力驗(yàn)算：邊梁跨中彎矩γ0Md=7660kN·m,允許值Mud=9070kN·m，滿足設(shè)計(jì)要求；中梁跨中彎矩γ0Md=7890kN·m,允許值Mud=9160kN·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)持久狀況正常使用極限狀態(tài)斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算：邊梁支點(diǎn)剪力γ0Vd=1148kN,允許值Vcs+Vpb=2460kN，滿足設(shè)計(jì)要求；中梁支點(diǎn)剪力γ0Vd=1229kN,允許值Vcs+Vpb=2460kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)持久狀況正常使用極限狀態(tài)混凝土的最大拉應(yīng)力驗(yàn)算：邊梁跨中下緣應(yīng)力σhl=-0.058MPa,允許值[σhl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；中梁跨中下緣應(yīng)力σhl=-0.495MPa,允許值[σhl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(5)持久狀況正常使用極限狀態(tài)混凝土的最大壓應(yīng)力驗(yàn)算：邊梁最大壓應(yīng)力σha=12.5MPa,允許值[σzl]=0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；中梁最大壓應(yīng)力σha=12.3MPa,允許值[σha]=0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)持久狀況正常使用極限狀態(tài)混凝土主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力驗(yàn)算：邊梁最大主壓應(yīng)力σza=12.5MPa,允許值[σza]=0.65fc=0.65×32.4=21.06MPa，最大主拉應(yīng)力σzl=-0.513MPa,允許值[σzl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；中梁最大主壓應(yīng)力σza=12.3MPa,允許值[σza]=0.65fc=0.65×32.4=21.06MPa，最大主拉應(yīng)力σzl=-0.665MPa,允許值[σzl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

(7)持久狀況正常使用極限狀態(tài)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力驗(yàn)算：邊梁鋼束最大拉應(yīng)力1 150MPa,中梁鋼束最大拉應(yīng)力1 150MPa，允許值拉應(yīng)力=0.70fpk=0.70×1860=1302MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.5 大件荷載計(jì)算結(jié)論

按本文的計(jì)算要點(diǎn)表明20m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁正截面抗彎承載能力、使用階段正截面、斜截面抗裂、鋼束最大拉應(yīng)力、混凝土主壓應(yīng)力、主拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。