特種重載車輛荷載下的鋼便橋設(shè)計(jì)

于雪暉，張 妍

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭 州 3 10006；2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭 州 3 10006）

特種重載車輛荷載下的鋼便橋設(shè)計(jì)

于雪暉1，張 妍2

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭 州 3 10006；2.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭 州 3 10006）

大型設(shè)備的運(yùn)輸往往采用特種重載車輛，某工程實(shí)例車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到總重526 t、軸重34 t，采用了新建臨時(shí)便橋的通行方案。臨時(shí)便橋上部結(jié)構(gòu)主要采用321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁，下部結(jié)構(gòu)主要采用鋼管樁基礎(chǔ)。通過對在特種重載車輛荷載下的鋼便橋設(shè)計(jì)方案的介紹，可為設(shè)計(jì)人員在類似橋梁設(shè)計(jì)時(shí)作為參考。

特種重載車輛；標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁；鋼便橋；大型設(shè)備運(yùn)輸

1 工程概況

某±800 kV特高壓直流輸電工程換流站位于浙江省紹興市境內(nèi)，該工程有一批大型換流設(shè)備需經(jīng)過當(dāng)?shù)啬晨h道運(yùn)輸，經(jīng)過路段需跨越兩處河道，主要結(jié)構(gòu)物有某村大橋和某村二橋。現(xiàn)狀縣道橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低且存在不同程度的橋梁病害，不能滿足該工程特種車輛的通行要求。

根據(jù)換流站工程總體施工組織的安排，大型設(shè)備運(yùn)輸線路保證工程的工期比較緊張，對原有橋梁的加固修復(fù)工程施工工期難以滿足運(yùn)輸時(shí)間的要求。經(jīng)綜合比選研究，該工程采用了在現(xiàn)狀橋梁外側(cè)新建臨時(shí)便橋的方案。

2 車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)

該工程過境車輛為三超（超重、超長、超寬）車輛，平板車自重700 kN（平板車為14軸，軸距1.5 m，每軸8個(gè)車輪），汽運(yùn)組合的運(yùn)件總重5 260 kN，組合運(yùn)件長31.8 m（其中主牽引車1輛，平板車1輛），平板車單軸軸重340 kN，車寬4.9 m，組合總高度6.22 m，單軸橫向布置12輪，最小轉(zhuǎn)彎半徑16.3 m。運(yùn)輸時(shí)間為2 a左右。圖1為特種車輛荷載縱向布置圖。

該車輛總荷載大，達(dá)到526 t，單軸軸重也大，達(dá)到34 t，對結(jié)構(gòu)物的承載能力要求極高。圖2為特種車輛荷載橫向布置圖。

圖1 特種車輛荷載縱向布置圖（單位：kN，cm）

圖2 特種車輛荷載橫向布置圖（單位：cm）

3 橋梁設(shè)計(jì)概況

由于該工程的運(yùn)輸使用期為2 a，且2 a后考慮拆除回收，因此在設(shè)計(jì)方案選擇時(shí)考慮采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)橋梁，既可以滿足結(jié)構(gòu)承載的需要，又便于后期拆除回收，總體經(jīng)濟(jì)性較好，而且施工安裝方便，有利于節(jié)省工期，確保及時(shí)完工服務(wù)于特種車輛的運(yùn)輸通行。因此橋梁上部結(jié)構(gòu)主要采用了321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁結(jié)構(gòu)[1]。

根據(jù)該工程的特種車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過計(jì)算比選，321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)選擇9 m跨徑，型鋼梁上部結(jié)構(gòu)選擇5 m跨徑。

根據(jù)跨越河道寬度以及橋頭引道長度的需要，凰桐一橋跨徑布置為（5+12×9+3+4×9+3+5× 9+3×5）m，全長215 m。凰桐二橋跨徑布置為（5+4×9+5）m，全長46 m。其中9 m跨徑上部結(jié)構(gòu)采用321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，5 m跨徑上部結(jié)構(gòu)采用型鋼梁結(jié)構(gòu)，3 m跨徑上部結(jié)構(gòu)也采用321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁配合制動墩設(shè)計(jì)[2]。

根據(jù)特種車輛橫向?qū)挾纫螅摴こ虡蛎鎸挾仍O(shè)計(jì)采用7 m。321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁和型鋼梁上部結(jié)構(gòu)橫向均采用16片主梁組拼設(shè)計(jì)。圖3為橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。

圖3 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

根據(jù)特種車輛橫向?qū)挾纫螅摴こ虡蛎鎸挾仍O(shè)計(jì)采用7 m。根據(jù)橫向均勻分布受力的需要[3，4]，321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁和型鋼梁上部結(jié)構(gòu)橫向均采用16片主梁組拼設(shè)計(jì)。

根據(jù)橋位處地質(zhì)勘察報(bào)告，凰桐一橋橋位處基巖埋深約25 m，其上依次覆蓋有約2 m雜填土層，約8 m淤泥軟土，約15 m含黏性土礫石層，因此下部結(jié)構(gòu)采用鋼管樁基礎(chǔ)，每個(gè)橋墩采用3根直徑800 mm鋼管樁，便于后期拆除回收以降低工程投資。凰桐一橋橋位處基巖埋深較淺，平均5 m左右，因此采用直徑1.0 m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)。

4 鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主桁梁

主桁梁采用321型標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁拼裝，鋼桁梁每節(jié)長3 m，高1.5 m，構(gòu)件材料為16 Mn，全橋橫橋向共設(shè)置16片鋼桁梁，橫向間距均勻布置為45 cm，兩片鋼桁梁橫向采用支撐花架連接組成一組，每兩組間采用8 cm高槽型鋼X撐連接。每片桁架在支座處設(shè)橫向限位擋塊。

4.2 橫梁

為了防止在釬焊加熱途中硬質(zhì)合金及基體金屬被氧化，同時(shí)為了避免母材中某些合金元素的揮發(fā)而降低材料性能，真空度選擇不宜過高，一般為5×10-2 Pa以上[3]。本文選用CuMnCo釬料，要求真空度同樣不宜過高，以避免釬料組分過多的揮發(fā)。結(jié)合所使用釬焊設(shè)備、母材和釬料的特性，確定釬焊工藝的冷態(tài)真空度在7×10-3 Pa以上，熱態(tài)真空度在5×10-2 Pa以上。加熱的速度確定在11 ℃/min。

橫梁采用Ⅰ22b熱軋普通工字鋼，每根長度為7.5 m，橫梁下部與桁梁上弦桿采用抱箍固定，上部與橋面板縱梁采用焊接固定，橫梁在縱橋向每隔約70.5 cm布設(shè)一根，對應(yīng)于鋼桁梁的豎桿或斜桿交叉點(diǎn)處設(shè)置。

4.3 桁梁銷、保險(xiǎn)銷

相鄰桁梁的連接采用桁梁銷，桁梁銷上銷錐端有一小孔，供插保險(xiǎn)銷用，另一端面上有一凹槽，其方向與保險(xiǎn)銷孔相同。桁梁銷材料為30 CrMnSi，直徑為49.5 mm。保險(xiǎn)銷為一小鋼片卷成，插入桁梁銷小孔內(nèi)，防止桁梁銷松落。

4.4 支撐架螺栓

支撐架螺栓用于固定支撐架與桁梁之間的連接，與支撐架配套使用，每根支撐架匹配四根撐架螺栓。

4.5 縱梁及橋面板

縱梁及橋面板，采用Ⅰ12.6工字鋼+10 mm厚花紋鋼板，與橫梁之間采用抱箍固定。

5 型鋼梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

型鋼主梁采用Ⅰ50 c型熱軋工字鋼[5]，全橋橫橋向共設(shè)置16根，橫向間距均勻布置為45 cm，其上通過與Ⅰ22b橫梁焊接形成整體。每片型鋼主梁在橋墩支座處設(shè)橫向限位擋塊，在橋臺處與橋臺蓋梁焊接。圖4為型鋼梁上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。

圖4 型鋼梁上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

橫梁、縱梁及橋面板構(gòu)造同鋼桁梁上部結(jié)構(gòu)。

6 鋼管樁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凰桐一橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼管樁基礎(chǔ)，9 m跨徑貝雷梁下部采用3根800 mm鋼管樁基礎(chǔ)，采用打入樁設(shè)計(jì)，有效樁長22 m左右。位于河道內(nèi)的較高墩鋼管樁壁厚采用14 mm，其余橋墩鋼管樁壁厚采用10 mm；5 m跨徑型鋼梁下部橋墩及橋臺采用3根800×10 mm鋼管樁。地面線以上鋼管樁間設(shè)置平聯(lián)鋼管和剪刀撐，形成整體受力。鋼管樁及平聯(lián)、剪刀撐均采用Q235B鋼材。

立柱上方設(shè)鋼蓋梁連接上下部結(jié)構(gòu)，9 m跨徑鋼桁梁蓋梁采用HN700×300窄型H型鋼組拼形成，5 m跨徑型鋼梁蓋梁采用HN600×200窄型H型鋼組拼形成。蓋梁的組拼采用焊接組拼，采用坡口熔透焊，并根據(jù)有限元局部分析計(jì)算[6]布置豎向加勁肋增加蓋梁的局部受壓穩(wěn)定性。鋼蓋梁均采用Q345B鋼材。

7 鉆孔灌注樁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凰桐二橋橋位處基巖埋深較淺，鋼管樁打入微風(fēng)化巖層的施工難度較大，因此下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、柱式臺，基礎(chǔ)采用3根1.0 m C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。二橋鋼蓋梁設(shè)計(jì)與一橋相同。

8 針對特種重載的特殊設(shè)計(jì)

該工程過境車輛為三超（超重、超長、超寬）特種車輛。該車輛總荷載526 t，單軸軸重34 t。針對這種特種重載車輛，普通公路橋梁和臨時(shí)棧橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)均不再適用，橋梁上下部結(jié)構(gòu)以及橋面系均需要特殊考慮。

針對通行車輛的寬度和車輪橫向布置形式以及單軸的載重量，上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁和型鋼梁均采用了橫向16片、間距45 cm的設(shè)計(jì)，直接減小每片主梁的車輛荷載值，確保了主梁的受力滿足使用要求。橫向分配梁全部對應(yīng)于鋼桁梁的豎桿或斜桿交叉點(diǎn)處設(shè)置，由于軸重導(dǎo)致連接處受力較大，為桁架受力模式防止桿件受彎失穩(wěn)，把傳力點(diǎn)全部集中在節(jié)點(diǎn)上。橋面系采用Ⅰ12.6工字鋼+10 mm厚花紋鋼板，其中Ⅰ12.6工字鋼間距22.5 cm密鋪布置，一方面可與主梁間距一一對應(yīng)，同時(shí)由于間距較小可以確保花紋鋼板在車輪面壓力作用下產(chǎn)生較大變形。

下部橋墩立柱的布置，充分考慮了車輛橫向?qū)挾群蛙囕啿贾们闆r，本車輛為3縱列14軸平板車，由于車輛通行緩慢且有專人指揮引導(dǎo)，車輛可基本對中運(yùn)行。此時(shí)，三個(gè)縱列與立柱位置基本對應(yīng)，可確保結(jié)構(gòu)傳力基本明確，避免蓋梁受力過大。另外，由于本車輛高度超過6.2 m，且標(biāo)準(zhǔn)桁梁橋受荷后撓度較大，車輛運(yùn)行過程可能存在較大的橫向搖擺，設(shè)計(jì)時(shí)參考了鐵路橋涵設(shè)計(jì)時(shí)的列車橫向搖擺力，作為該橋的附加荷載，確保下部結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

9 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型假定：由于裝配式桁梁插銷間隙的存在，溫度應(yīng)力一般可自行釋放，因此所有桁梁橋均偏保守地按單跨簡支結(jié)構(gòu)考慮。桁梁橋和型鋼梁橋橫向均采用16片主梁，根據(jù)車輛車輪的橫向布置情況及橫向聯(lián)系，桁梁橋考慮12片主梁參與車輛荷載載受力，型鋼梁橋考慮10片主梁參與車輛荷載受力。

該工程結(jié)構(gòu)驗(yàn)算利用MIDAS-Civil軟件進(jìn)行有限元分析。圖5為有限元結(jié)構(gòu)分析模型。

圖5 有限元結(jié)構(gòu)分析模型

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)鋼桁梁進(jìn)行容許承載力驗(yàn)算，對型鋼主梁、橫向分配梁、橋面系進(jìn)行抗彎強(qiáng)度、受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算；對下部結(jié)構(gòu)鋼蓋梁進(jìn)行抗彎強(qiáng)度、受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算，對鋼管樁（含立柱）按壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，對混凝土鉆孔灌注樁按壓彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和裂縫寬度的驗(yàn)算，對樁基礎(chǔ)同時(shí)進(jìn)行豎向承載力驗(yàn)算；對所有鋼結(jié)構(gòu)焊縫等連接構(gòu)造進(jìn)行局部驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算分析，各構(gòu)件及連接構(gòu)造受力均滿足規(guī)范要求。

10 結(jié) 語

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)能力的急劇提升，大型設(shè)備整體制造后運(yùn)輸?shù)男枨笠苍絹碓酱蟆＿@些大型設(shè)備的運(yùn)輸往往都是三超（超重、超長、超寬）車輛，對運(yùn)輸線路沿途的結(jié)構(gòu)物造成不同程度的影響。根據(jù)實(shí)際情況，可采用運(yùn)輸路線上原有橋梁加固、拆除原有橋梁后重建等通行方案。本文提出的新建臨時(shí)裝配式便橋通行方案亦可作為比選，特別是在工期緊張的情況下有一定優(yōu)勢，考慮到后期拆除回收仍有一定的經(jīng)濟(jì)性。本文通過對在特種重載車輛荷載下的鋼便橋設(shè)計(jì)方案的介紹，也可提供設(shè)計(jì)人員在類似橋梁設(shè)計(jì)時(shí)作為參考。

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U442.5

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1009-7716（2017）01-0083-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.023

2016-10-17

于雪暉（1984-），男，浙江紹興人，碩士，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。