特載交通下預(yù)制梁橋主梁設(shè)計比選及承載能力分析

楊曉天 李吉興

摘要 近年來超載、超限運(yùn)輸車輛越來越多，現(xiàn)行橋梁設(shè)計荷載已不能滿足特載通行需求。文章介紹了200 t特載橋梁設(shè)計過程，通過設(shè)計比選確定上部結(jié)構(gòu)形式；然后利用有限元分析軟件建立了梁格模型，對特載工況下的承載力進(jìn)行了安全驗算；最后根據(jù)計算結(jié)果，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。文章為特載橋梁設(shè)計與驗算提供了有益參考。

關(guān)鍵詞 特載車輛；預(yù)制梁橋；承載力分析

中圖分類號 U441文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0120-03

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)化進(jìn)程加速和交通運(yùn)輸量的增長，使用和運(yùn)輸?shù)拇笮脱b備數(shù)量大幅增加。此外，由于技術(shù)和計算方法的快速發(fā)展，為了適應(yīng)更加復(fù)雜的運(yùn)輸條件，出現(xiàn)了多種用于特殊用途的橋梁結(jié)構(gòu)[1]。

現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范和理論，適用于普通橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計。上述部分特殊用途的橋梁，無法應(yīng)用現(xiàn)有規(guī)范理論進(jìn)行計算[2]。該文以實際工程為背景，通過有限元分析軟件“橋梁博士”，建立空間模型，模擬實際的特殊車輛荷載，進(jìn)行仿真分析。通過不同主梁形式對比分析，確定主梁的結(jié)構(gòu)形式，并對選定的主梁進(jìn)行承載力驗算，保證特載交通下橋梁的正常使用功能和安全性，為后續(xù)工程提供一定的借鑒意義[3]。

1 工程概況

該項目位于某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，擬建橋梁采用1～20 m預(yù)制梁橋，橋梁全長為26 m，橋梁全寬為17 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

根據(jù)廠區(qū)貨運(yùn)要求，最大通行車輛為特載運(yùn)輸車（920運(yùn)輸車）、軸線板車；縱向軸距寬為1.55 m，車板寬度為3.2 m，車板離地高度為1 m，車板總長度為22 m；車頭為5 m，總長度為27 m；車輛自重為40 t，運(yùn)輸貨物最大重量為160 t。如圖1和圖2所示。

2 設(shè)計方案比選

在選擇橋梁上部結(jié)構(gòu)形式時，應(yīng)優(yōu)先選擇標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、工廠化的結(jié)構(gòu)類型，綜合考慮不同結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)特點、施工難易程度等，選取有代表性的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行比選[4]。結(jié)合該項目的具體情況，考慮橋梁凈空和當(dāng)?shù)仡A(yù)制場的實際情況，并且考慮橋梁使用用途、特載交通較大，因此該文通過各方面綜合比較，對20 m預(yù)制空心板和預(yù)制小箱梁進(jìn)行綜合比較，選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造尺寸和配筋均參照標(biāo)準(zhǔn)圖[5]。詳見表1所示。

從構(gòu)造和施工兩個方面，分析對比兩種結(jié)構(gòu)形式的橋梁，得出的主要結(jié)論如下：

（1）預(yù)制先張法空心板采用四支座，施工時鋼板較難調(diào)平，導(dǎo)致支座脫空、板梁橫向彎矩增大，從而引起板梁和板底的縱裂。相比之下，小箱梁采用單支座，較難出現(xiàn)支座脫空。

（2）“單板受力”是空心板簡支梁橋最常見且致命的病害之一，這是空心板的鉸縫破損所引起。此類病害可導(dǎo)致空心板橋梁體開裂，使結(jié)構(gòu)的承載能力與耐久性下降。小箱梁采用現(xiàn)澆剛接縫進(jìn)行橫向聯(lián)系，從荷載橫向分布、結(jié)構(gòu)受力體系等角度分析，其優(yōu)于空心板結(jié)構(gòu)。

結(jié)合該項目特載交通較多等特點，因此選取預(yù)制小箱梁為上部結(jié)構(gòu)。

3 預(yù)制小箱梁承載力分析

上部結(jié)構(gòu)按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計，采用“橋梁博士4.4.1版”軟件建立全橋1～20 m預(yù)制小箱梁的梁格模型，對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。驗算荷載：920（20線20軸2縱列）運(yùn)載車的自重為40 t，運(yùn)輸貨物最大重量為160 t。梁格模型如圖3所示：

3.1 承載能力極限狀態(tài)計算

3.1.1 正截面承載力驗算

根據(jù)《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）[6]（簡稱《公橋規(guī)》）第5.1.2條的規(guī)定，橋梁構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)計算應(yīng)滿足：

γ0S≤R （1）

如圖4和圖5所示，結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力出現(xiàn)在跨中位置，最大內(nèi)力為6 665.3 kN，對應(yīng)位置的承載力為8 395.8 kN，均滿足規(guī)范要求。

3.1.2 斜截面承載力驗算

根據(jù)《公路規(guī)》第5.1.2條的規(guī)定，橋梁構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)的計算應(yīng)滿足式（2）：

γ0S≤R （2）

如圖6和圖7所示：主梁支點處剪力最大，最大剪力

1 958.4 kN，抗剪承載力2 757.0 kN，主梁抗剪承載能力極限狀態(tài)驗算滿足規(guī)范要求。

3.2 正常使用極限狀態(tài)計算

3.2.1 頻遇組合下正截面抗裂驗算

根據(jù)《公路規(guī)》第6.3.1條第1款規(guī)定，應(yīng)對構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗算，并應(yīng)符合下列要求：

A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件：

σst?σpc≤0.7ftk （3）

σlt?σpc≤0 （4）

如圖8所示，構(gòu)件正截面混凝土的最小拉應(yīng)力為0.49 MPa，小于1.86 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 準(zhǔn)永久組合下正截面抗裂驗算

根據(jù)《公橋規(guī)》第6.3.1條第1款規(guī)定，應(yīng)對構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進(jìn)行驗算，并應(yīng)符合式（3）和式（4）的相關(guān)要求。

如圖9所示，構(gòu)件正截面混凝土無拉應(yīng)力出現(xiàn)，最小壓應(yīng)力0.74 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 斜截面抗裂驗算

根據(jù)《公路規(guī)》第6.3.1條第2款規(guī)定，斜截面抗裂應(yīng)對構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力進(jìn)行驗算，并應(yīng)符合下列要求：

A類和B類預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制構(gòu)件：

σtp≤0.7ftk （5）

如圖10所示，構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力最大0.52 MPa，小于1.33 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2.4 撓度驗算

如圖11所示，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)計算，撓度最大值為1.02 cm＜（L/600）=2 000 cm/600≈3.33 cm，滿足規(guī)范要求。

4 特載橋梁設(shè)計建議

橋梁設(shè)計構(gòu)造要求如下：

（1）為滿足特載承載力要求，應(yīng)分別對中板和邊板的預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行加強(qiáng)。

（2）增加中橫隔板，并且將橋面鋪裝現(xiàn)澆層調(diào)整為15 cm，此外對預(yù)制梁結(jié)構(gòu)的橫向鋼筋進(jìn)行整體加強(qiáng)，以提高結(jié)構(gòu)橫向剛度和抗扭。

5 結(jié)語

（1）當(dāng)特載橋梁設(shè)計采用預(yù)制結(jié)構(gòu)時，建議采用預(yù)制小箱梁。小箱梁采用現(xiàn)澆剛接縫進(jìn)行橫向聯(lián)系，從荷載橫向分布、結(jié)構(gòu)受力體系等角度分析均優(yōu)于空心板結(jié)構(gòu)。

（2）通過200 t特載對預(yù)制小箱梁進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計算，結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下受力均滿足規(guī)范要求。

（3）進(jìn)行特載橋梁構(gòu)造設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)化橫隔板及橋面板設(shè)計，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性能以及抗扭和抗傾覆能力。

參考文獻(xiàn)

[1]徐輝. 特殊荷載橋梁設(shè)計體會——淺析錫林浩特特載跨線橋設(shè)計[J]. 城市道橋與防洪， 2013（5）： 90-91+14.

[2]張凡龍， 方宏， 汪步勝. 某特殊加固橋梁通行特載車輛的監(jiān)測試驗研究[J]. 安徽建筑， 2020（7）： 179-180.

[3]張宏斌. 特載橋梁的主梁承載能力設(shè)計及試驗研究[J]. 北方交通， 2010（12）： 35-36.

[4]戴琦. 市政橋梁預(yù)制后張法簡支空心板與預(yù)制后張法簡支矮T梁設(shè)計比選分析[J]. 江西建材， 2023（10）： 147-148+151.

[5]中華人民共和國交通運(yùn)輸部. 中華人民共和國交通行業(yè)公路橋涵通用圖[M]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[6]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[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.