大跨下承式鋼箱系桿拱橋通行大件運輸車輛能力研究

鄒惠瓊 ZOU Hui-qiong；白洪濤 BAI Hong-tao；代攀 DAI Pan；聶楊明 NIE Yang-ming

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，昆明 650041）

0 引言

公路運輸是服務(wù)范圍最廣、承擔(dān)客貨周轉(zhuǎn)量最大、運輸組織結(jié)構(gòu)最為靈活機動的交通運輸方式。大件運輸作為一個特殊的運輸領(lǐng)域，是公路運輸中一項重要的任務(wù)[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高速公路大件運輸項目日趨頻繁[2]。由于大件運輸車車輛荷載與橋梁等結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計車輛荷載不同，可能會超過橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，威脅橋梁結(jié)構(gòu)的安全和縮減橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命，使橋梁面臨更大安全風(fēng)險[3-5]。同時，下承式系桿拱橋因其跨越能力大、建筑高度小、施工快捷、美觀經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點使其在高速公路跨越河道、道路、鐵路時被廣泛采用[6]。然而，目前對大件運輸車輛作用下大跨下承式鋼箱系桿拱橋通行能力和結(jié)構(gòu)安全評估尚缺少相關(guān)研究。鑒于此，本文以160t大件運輸車輛通行一座主跨265m下承式鋼箱系桿拱為例，通過有限元分析計算，對大件運輸車輛作用下橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行通行能力和結(jié)構(gòu)安全評估，以期為同類型工程項目提供參考與借鑒。

1 項目概況

1.1 大件運輸車輛概況

該大件運輸項目基本情況為昆明某運輸有限公司運輸變壓器一件，車貨總重160t（包括牽引車重量），車板平均軸重14.45t，運輸時整車外型尺寸24m×3.1m×4.4m。運輸車型為3軸牽引車和鵝頸全液壓兩縱列9軸車板組成。荷載詳細(xì)布置情況如圖1。

圖1 大件運輸車荷載詳細(xì)布置圖

1.2 驗算橋梁工程概況

驗算橋梁為G4216華坪至麗江高速公路大理連接線（麗江段）K74+025金雞達(dá)旦河大橋。該橋主橋采用下承式鋼箱拱肋系桿拱，拱肋理論計算跨徑265m（目前國內(nèi)已建成的同類橋型中跨度最大）。拱軸線為懸鏈線，矢高53m，矢跨比1/5，拱軸系數(shù)m=1.3。拱肋采用鋼箱型截面，寬度2.8m，高度為變截面，拱頂高3.5m，拱腳高4.5m；主梁采用鋼混組合格構(gòu)梁體系，其中主縱梁為箱型截面（2.8×3.2m），次縱梁與橫梁為工字型截面（橫梁中部梁高2.2m，次縱梁梁高0.8m），混凝土橋面板厚度25cm；吊桿采用7-139型平行鋼絲成品索，系桿采用15-55型鋼絞線成品索。拱座與拱肋、格構(gòu)梁固結(jié)，內(nèi)部為超靜定結(jié)構(gòu)體系，外部為整體簡支體系。拱座下設(shè)摩擦擺式減隔震支座。拱座為鋼筋混凝土構(gòu)件，拱座橫梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。主橋橋墩為橫向分離式實心墩，承臺群樁基礎(chǔ)，樁基按摩擦樁設(shè)計[7]。橋梁總體布置圖和現(xiàn)場實景照片見圖2、圖3。

圖2 橋型總體布置圖

圖3 橋型總體布置圖

2 評估流程及方法

目前大部分高速公路檔案信息基本完善，定檢巡查等工作已形成常態(tài)化。在進(jìn)行橋梁驗算評價時，主要分技術(shù)狀況篩選階段、結(jié)構(gòu)驗算核查階段和評價建議及決策咨詢階段三個階段開展工作。

2.1 階段一：技術(shù)狀況篩選階段

在進(jìn)行橋梁承載驗算前，根據(jù)收集到的橋梁技術(shù)資料（本年度或者上年度的橋梁定檢報告），對于橋梁技術(shù)狀況為4類、5類的橋梁[8]，默認(rèn)為橋梁技術(shù)狀況較差，不具備通行條件。

2.2 階段二：結(jié)構(gòu)驗算核查階段

當(dāng)橋梁的技術(shù)狀況等級為1~3類時，進(jìn)一步對橋梁進(jìn)行檢算評價。

在橋梁評價計算時，建立有限元橋梁模型并考慮橋梁缺陷狀況，從而評價當(dāng)前橋梁實際承載能力。對橋梁驗算核查通常采用兩種方法：等代荷載判別法簡化驗算法和承載能力評定驗算法[4]。等代荷載簡化判別法是指對橋梁結(jié)構(gòu)分別計算出大件運輸車輛荷載效應(yīng)與設(shè)計荷載荷載效應(yīng)，將兩者進(jìn)行比較，以判別大件運輸車輛能否安全通過橋梁或是否應(yīng)進(jìn)行加固。規(guī)范承載能力極限狀態(tài)驗算法指按照現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）[9]進(jìn)行承載能力驗算（強度、剛度和穩(wěn)定性），驗算通過后大件運輸車可以通過，驗算不通過時應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)加固至承載力滿足大件運輸車要求后方可通行。大件運輸主要評估流程如圖4所示。

圖4 大件運輸主要評估流程圖

2.3 階段三：評價建議及決策咨詢階段

完成橋梁結(jié)構(gòu)驗算核查后，撰寫通行評價報告，給出通行結(jié)論和建議。當(dāng)橋梁在大件運輸車輛荷載作用下，不滿足規(guī)范的驗算要求，相關(guān)應(yīng)對方法有：調(diào)整車輛參數(shù)后重新進(jìn)行檢算評價、繞行、加固處理。

3 有限元分析及計算

3.1 有限元模型建立

對運輸線路上金雞達(dá)旦河大橋主橋（265m大跨下承式鋼箱系桿拱橋），采用橋梁結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件Midas Civil有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行離散建模，離散后有限元模型共計梁單元2112個，桁架單元68個，板單元2884個，其中橋面板采用板單元模擬、吊桿采用桁架單元模擬，其余均采用空間梁單元模擬。在總體計算中，拱肋、風(fēng)撐、鋼格構(gòu)梁加勁肋和橫隔板的非模型重量按照重量提高系數(shù)施加。有限元模型如圖5所示。

圖5 金雞金雞達(dá)旦河大橋主橋有限元模型圖

3.2 有限元計算結(jié)果分析

依據(jù)大件運輸車輛所申報的軸載信息，對金雞達(dá)旦河大橋主橋（265m大跨下承式鋼箱系桿拱橋）進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算核查。大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下，主拱肋、風(fēng)撐、鋼格構(gòu)主縱梁、鋼格構(gòu)次縱梁、鋼格構(gòu)橫梁、吊桿和系桿等重要受力構(gòu)件的應(yīng)力包絡(luò)見圖6~圖12，匯總結(jié)果見表1。

圖12 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下系桿內(nèi)力圖

表1 主要受力構(gòu)件荷載效應(yīng)比較表

圖6 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下主拱肋組合應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下鋼格構(gòu)主縱梁組合應(yīng)力包絡(luò)圖

圖9 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下鋼格構(gòu)次縱梁組合應(yīng)力包絡(luò)圖

計算結(jié)果表明，按車型資料計算主拱肋、風(fēng)撐、鋼格構(gòu)主縱梁、鋼格構(gòu)次縱梁、鋼格構(gòu)橫梁、吊桿和系桿等重要受力構(gòu)件的大件運輸車荷載效應(yīng)均小于按橋梁設(shè)計荷載公路Ⅰ級的荷載效應(yīng)，且富余較大。故從結(jié)構(gòu)受力上來講，大件運輸車能安全通過金雞達(dá)旦河主橋（265m大跨下承式鋼箱系桿拱橋）。

4 結(jié)論及建議

本文通過對金雞達(dá)旦河主橋（265m大跨下承式鋼箱系桿拱橋）進(jìn)行建模分析和計算，得出如下驗算結(jié)論及建議：

①本驗算僅對運管部提供的運輸線路上所經(jīng)過的橋梁匯總表中的橋梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行驗算，而橋梁凈空、凈高及車輛轉(zhuǎn)彎半徑等是否滿足通行要求由通行單位現(xiàn)場測量后確定。

圖7 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下風(fēng)撐組合應(yīng)力包絡(luò)圖

圖10 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下鋼格構(gòu)橫梁組合應(yīng)力包絡(luò)圖

圖11 大件運輸車輛和設(shè)計車輛荷載作用下吊桿內(nèi)力圖

②大件運輸車輛必須沿橋面中心線行駛。大件運輸車輛應(yīng)有路政部門全程護(hù)送，且護(hù)送的人員對運輸方案、運輸線路均熟悉。橋上運輸車輛必須勻速，必須保證通行時橋上只有大件運輸車單車通行，且必須保證橋上無其它重車、貨車通行。過橋時，大件運輸車車速應(yīng)小于5km/h行駛。橋上運輸車輛行駛時不允許有剎車、啟動、變速等操作[8]。

③按提供的車型資料、規(guī)范裝載及規(guī)范行駛的情況下，綜合計算結(jié)果從結(jié)構(gòu)受力上看，大件運輸車能安全通行金雞達(dá)旦河主橋（265m大跨下承式鋼箱系桿拱橋）。

④對于大跨下承式鋼箱系桿拱橋采用承載能力評定驗算法計算復(fù)雜且耗時久。盡管大件運輸車輛的總重通常遠(yuǎn)大于設(shè)計車輛荷載，但由于大跨下承式鋼箱系桿拱橋通常為雙幅整體式橋梁且大件車輛運輸過程中實行交通管制。因此，大跨下承式鋼箱系桿拱橋在主要構(gòu)件在大件運輸車輛作用下的效應(yīng)往往小于設(shè)計車輛作用下的荷載效應(yīng)且富余較大，故通?？蛇x用等代荷載判別法簡化驗算法實現(xiàn)快速評估。