特載車通過預制小箱梁時結構設計分析

蔡亮

（中鐵上海設計院集團有限公司 江蘇南京 210009）

1 引言

宣城市±1100kV古泉換流站工程是國家電網公司貫徹中央新疆工作座談會精神、落實國家西電東送戰略的重點工程。該工程位于宣城市宣州區古泉鎮西偏南8km的姚貸崔村附近，東距滬渝高速7km，南距銅宣高速3km。根據換流變壓器運輸參數和公路運輸條件，需采用3縱列18軸線液壓平板車裝載運輸大件設備。工程建設需要安裝換流變壓器等大件設備，國家電網公司對大件設備運輸通道進行了專題設計。

根據本工程大件設備運輸通道總體走向，設備沿途運輸需經過皖贛鐵路K49+325處大山頭橋，此橋位于老S322省道，上部采用3跨16m預應力混凝土T梁上跨皖贛鐵路，目前已被評定為危橋，不能滿足大件設備運輸荷載等級要求。本次工程擬在老橋北側新建（20+25+20）m小箱梁上跨皖贛鐵路以滿足大件設備運輸要求，新橋建成通車后拆除原有老橋。

本文以一輛特載車通過預應力混凝土箱梁橋為背景，為保證大件荷載通過橋梁的安全性，采用橋梁專用有限元軟件“midas civil 2015”按規范[1]相關要求進行結構驗算，主要內容包括：①上部預制箱梁結構持久狀況承載能力極限狀態及正常使用極限狀態；②下部蓋梁、墩柱持久狀況承載能力極限狀態及正常使用極限狀態；③樁基持久狀態承載能力極限狀態。

2 項目概況

宣城市老S322省道上跨皖贛鐵路原有大山頭橋一座，老橋上部結構采用（3×16m）預應力混凝土T梁，老橋使用狀況較差，橋面鋪裝、護欄、伸縮縫均有不同程度損壞，T梁梁底及橫隔板部分開裂。老橋現狀限速20km/h，限載15t。根據業主要求，現狀橋梁對鐵路行車安全構成極大安全隱患，需盡早對橋進行整治，消除安全隱患。本次項目待新建上跨皖贛鐵路橋通車后對既有老橋進行拆除。

新建上跨皖贛鐵路中橋采用簡支組合箱梁，橋梁按斜15°布置，橋梁全寬15m，濕接縫寬度39.8cm。橋梁上部結構采用（20+25+20）m裝配式預應力混凝土箱形簡支梁，橋面連續，全橋共一聯，全長72.20m。橋面由下至上為10cm厚C50現澆混凝土、防水涂層、10cm瀝青混凝土鋪裝。0號橋臺、3號橋臺設D60伸縮縫，全橋均設盆式橡膠支座。橋梁下部結構采用樁柱式墩、臺，墩、臺蓋梁高分別為1.7m、1.4m，1.4m柱、1.5m鉆孔灌注樁基礎，均按嵌巖樁設計（見圖1、圖2）。

圖1 橋型布置圖

本項目建設目的主要用于滿足大件設備運輸條件，大件設備凈寬5.2m，凈高按≥7.3m控制。大件設備由兩輛重車牽引。設備單軸重37.82t，每軸輪胎12只，總共18個軸，總重680.7t，荷載等級遠高于現階段常用的公路-Ⅰ級荷載。

圖2 橋梁橫斷面圖

3 結構驗算

3.1 驗算模型

采用橋梁專用有限元分析軟件midas civil 2015分別建立上部25m（邊跨20m計算方法同）單梁模型、下部蓋梁墩柱模型進行驗算；樁基按照規范[4]進行驗算。

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荷載取值情況如下：

（1）恒載。混凝土：重力密度γ=25.0kN/m3，瀝青混凝土：重力密度γ=24.0kN/m3。對單片中梁，考慮人行道及護欄荷載橫向分布系數取0.13，綜合橋面鋪裝荷載，二期恒載均布合計7.8kN/m；濕接縫取1.7kN/m；兩側端橫梁、跨中三處橫隔板以集中力形式分別取7.6kN、2.4kN。

（2）移動荷載。特載車按實際重載車軸重及軸距取值；滿足1.3倍公路-I級[1]荷載要求。

（3）混凝土收縮、徐變：按規范[2]取值計算。

（4）豎向梯度溫度效應：按規范[1]第4.3.12條取用。

（5）最不利板梁4#～7#荷載橫向分布系數取值：0.16。

荷載組合及系數取值：本項目為三級公路，由于公路橋涵通用規范[1]無相應超載車輛系數取值，本次大件荷載系數取值應結合城市橋梁規范[3]。采用橋規[1]4.1.5的基本組合，但特種荷載效應的分項系數取1.1，恒載效應的分項系數取1.2，結構重要系數取1.0。按持久狀況正常使用極限狀態驗算時，荷載效應組合采用標準組合，即各項荷載效應分項系數取1.0。

3.2 梁體驗算

3.2.1 施工階段法向應力驗算（短暫狀況構件應力驗算）

表1 施工階段法向壓應力驗算包絡表

3.2.2 使用階段正截面抗彎承載能力驗算 （持久狀況承載能力極限狀態驗算）

各截面的彎矩設計值見圖3，截面跨中最大彎矩值為6607.8kN·m，小于構件抗彎承載能力設計值8643.9kN·m。

圖3 使用階段正截面抗彎承載能力包絡圖

3.2.3 使用階段斜截面抗剪承載能力驗算 （持久狀況承載能力極限狀態驗算）

各截面的剪力設計值見圖4，截面最大剪力值為1121.6kN，小于構件抗剪承載能力設計值2749.1kN。

圖4 斜截面抗剪承載能力驗算包絡圖

3.2.4 使用階段正截面抗裂驗算（持久狀況正常使用極限狀態驗算）

在作用（荷載）短期效應組合、長期效應組合下，邊緣最小應力見表2。

表2 使用階段正截面抗裂驗算包絡表

3.2.5 使用階段斜截面抗裂驗算（持久狀況正常使用極限狀態驗算）

在作用（荷載）短期效應組合下，斜截面邊緣最小應力。驗算得斜截面抗裂最大主拉應力為-0.012MPa。

3.2.6 使用階段正截面壓應力、斜截面主壓應力驗算（持久狀況構件應力驗算）

正截面最大壓應力、斜截面主壓應力。應力驗算：正截面壓應力15.946MPa，斜截面主壓應力15.946MPa。

3.2.7 撓度驗算（持久狀況正常使用極限狀態驗算）

短期荷載組合位移消除自重產生的位移并乘以撓度長期增長系數1.425（C50），最大撓度值 19.1mm。

3.3 蓋梁驗算

3.3.1 使用階段正截面抗彎承載能力驗算

荷載組合下最大負彎矩值為1578.2kN·m，位于邊支點；最大正彎矩為2176.6kN·m，位于邊支點與中支點之間。蓋梁支點抗彎承載能力5770.1kN·m，邊支點與中支點之間最大正彎矩抗彎承載能力為3539.1kN·m。蓋梁正截面抗彎承載力滿足要求。

3.3.2 使用階段斜截面抗剪承載能力驗算

荷載組合下蓋梁最大剪力為8940.3kN，最大剪力位置對應抗剪能力為9911.6kN，蓋梁斜截面抗剪承載能力滿足規范要求。

3.3.3 裂縫寬度驗算

標準組合下蓋梁最大裂縫寬度為0.133mm，位于邊支點與中支點之間，規范[3]容許超載車輛過橋最大裂縫寬度為0.25mm，裂縫寬度驗算滿足規范要求。

3.4 樁基單樁承載力驗算

橋墩樁基樁頂最大反力為8543.2kN，由于項目區域地質較好，持力層為中風化砂巖，樁基側摩阻力標準值120kPa，地基承載力基本容許值800kPa，巖石飽和單軸抗壓強度標準值為15MPa，樁基可按嵌巖樁設計，持力層深度只需滿足嵌巖要求即可。經驗算樁基豎向承載力滿足規范要求。

4 結論

（1）為確保特載車能安全過橋，在加強橋梁結構設計基礎上，同時應保證特載車按規定路線行駛且速度不應大于5km/h，確保橋梁結構安全。

（2）本次設計難點主要體現在“防止單梁過度受力”。本次在加強單梁結構設計基礎上，通過設置合理間距的橫隔板、在簡支箱梁兩側設置端橫梁等措施以確保梁體間緊密聯系及共同受力，并加大箱梁頂板和濕接縫厚度以確保結構安全。

（3）本工程采用簡支梁結構造價最省、施工最短，不僅滿足道路功能，而且施工期間對鐵路運營影響最小，達到最初設計的目的。

[1]《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）.

[2]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）.

[3]《城市橋梁設計規范》（CJJ 11-2011）.

[4]《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）.