重型特種車輛荷載作用下的橋梁設(shè)計

朱智宇,周 群

(廣西路橋集團勘察設(shè)計有限公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

近年來,隨著交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展,各行各業(yè)對大件物品的運輸需求也越來越多,例如,特種軍用裝備、特種工業(yè)設(shè)備、特種風(fēng)力電機等,這些特殊的大件在通過現(xiàn)有橋梁時,都需要對現(xiàn)有橋梁進行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)驗算,驗算滿足其承載要求后方可通行[1-3]。

一般的橋梁設(shè)計有成熟成套的規(guī)范遵循,但由于以往特種荷載車輛通行次數(shù)少,需求量有限,現(xiàn)行《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ11-2011)[7]中只列出了160 t、220 t、300 t、420 t 四種特種車輛荷載設(shè)計類型,且其輪距均為固定值。而實際大件運輸中的特種車輛輪距與規(guī)范規(guī)定值并非完全一致,且單輪重及車輛總重往往超過規(guī)范所列最大值(420 t),除此之外,部分重型大件物品還需長期多次運輸,種種原因使特種車輛荷載作用下的橋梁設(shè)計變得越來越復(fù)雜,需要設(shè)計者結(jié)合規(guī)范及自身經(jīng)驗進行專項設(shè)計[4-6]。

本文以沿海某風(fēng)電主機特種運輸通道設(shè)計為依托,對總重759 t的重型特種車輛荷載作用下的橋梁專項設(shè)計進行總結(jié),分享設(shè)計經(jīng)驗,提出合理建議,為后續(xù)類似重型特種車輛作用下的橋梁設(shè)計提供參考與借鑒。

1 工程背景簡介

該項目位于沿海某城市,為滿足某海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備廠運輸海上風(fēng)力電機(重量達759 t)要求而建,即將海上風(fēng)力電機從設(shè)備廠運輸至海港碼頭。經(jīng)現(xiàn)場實地勘察,運輸車必須途經(jīng)一上構(gòu)10×20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板橋。經(jīng)結(jié)構(gòu)驗算,現(xiàn)狀橋梁無法滿足重量達759 t海上風(fēng)力電機的承載要求,根據(jù)規(guī)劃紅線,路線又必須從此現(xiàn)狀橋梁通過,因此,該項目對該舊橋進行拆除重建。

重建橋梁中心里程為K0+213.0,在原橋位跨越河流,上河口寬約146 m,下河口寬度約118 m;北側(cè)堤岸頂土路寬度約5.1～5.6 m,高程約5.5 m;南側(cè)堤岸頂土路寬度約4 m,高程約5.9 m,橋址處地勢較平緩,河流無通航要求。

2 橋型方案比選分析

根據(jù)海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備廠提供的重型特種運輸車參數(shù),繪制其車輛軸載分布如圖1所示。

由于該項目河流不通航,平均墩高<10 m。因此,從安全、適用、經(jīng)濟等角度出發(fā),跨徑考慮與舊橋一致,均采用20 m。

此外,通過對現(xiàn)狀地形條件的勘察,結(jié)合現(xiàn)狀舊橋的布跨,考慮重建橋梁與舊橋進行錯孔布跨,調(diào)整后的橋跨布置為9×20 m。

上部結(jié)構(gòu)形式則采用常用的預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁與整體現(xiàn)澆箱梁兩種結(jié)構(gòu)類型進行方案比選,其詳細(xì)的方案比選結(jié)果如表1所示。

表1 橋型方案比選分析表

由表1分析可知,預(yù)制小箱梁方案結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工快捷且造價經(jīng)濟,是本項目理想的橋型方案。因此,本項目推薦采用簡支(橋面連續(xù))的預(yù)制小箱梁方案,下文將從安全角度出發(fā),對結(jié)構(gòu)進行進一步的驗算與分析。

3 橋梁結(jié)構(gòu)驗算與分析

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基本參數(shù)

該橋橋跨布置為9×20 m,橋面寬度為13 m,上部結(jié)構(gòu)橫向設(shè)4片主梁,梁高2 m,頂、底板厚0.3 m,腹板厚0.32 m,中梁寬度為2.4 m,邊梁寬度為2.85 m,濕接縫寬0.833 m。其標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖2 預(yù)制小箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(m)

下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩,樁基礎(chǔ)。每個橋墩設(shè)3根鉆孔灌注樁,樁基直徑為1.8 m,樁間距為4.55 m;墩柱直徑1.6 m。

橋臺均采用輕型橋臺,樁基礎(chǔ)。每個橋臺設(shè)3根鉆孔灌注樁,樁基直徑為1.8 m,樁間距為4.55 m。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)驗算與分析

由于該橋特種車荷載不在規(guī)范列舉之內(nèi),因此,為保證橋梁結(jié)構(gòu)整體安全,上部結(jié)構(gòu)采用整體梁格法進行結(jié)構(gòu)驗算與分析。通過Midas Civil軟件建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型,由四片模擬縱梁、端中橫梁及虛擬橫梁組成,共計177個節(jié)點,202個梁單元,梁端位置則采用彈性支撐模擬支座約束,其整體有限元模型如圖3所示。

圖3 上部結(jié)構(gòu)整體有限元模型圖

規(guī)定一次僅過一輛特種車,嚴(yán)格按橋梁中心線進行行駛,自定義符合該橋重型特種運輸車輛軸載分布的車輛荷載,采用影響線加載法,由程序自動按最不利荷載位置進行加載。

此外,《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》對通行特種車輛的橋梁規(guī)定結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0,汽車荷載分項系數(shù)取1.1,考慮到該橋需要長期將海上風(fēng)力電機從設(shè)備廠運輸至碼頭,因此從安全及耐久角度出發(fā),依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)[8]相關(guān)條文,該橋結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1(重要結(jié)構(gòu)),汽車荷載分項系數(shù)取1.8(車輛荷載分項系數(shù))。

根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻計算得沖擊系數(shù)為0.05,按規(guī)范單車道加載橫向分布系數(shù)取1.2,得橋梁上部結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪及抗裂等主要驗算結(jié)果如圖4～7所示。

圖4 正截面抗彎驗算結(jié)果示意圖

圖5 斜截面抗剪驗算結(jié)果示意圖

圖6 正截面抗裂驗算結(jié)果示意圖

圖7 斜截面抗裂驗算結(jié)果曲線圖

由圖4～7分析可知,其上部結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪及抗裂驗算等均滿足規(guī)范設(shè)計要求,且內(nèi)力及應(yīng)力儲備值均較大。

此外,結(jié)構(gòu)在使用階段的撓度在考慮長期效應(yīng)的影響下,由汽車荷載(不計沖擊力)產(chǎn)生的最大撓度為10.31 mm,小于計算跨徑的1/600(33.33 mm),滿足規(guī)范要求。因此,對于重型特種車輛荷載作用下的橋型選擇,若無大跨度結(jié)構(gòu)需求,可優(yōu)先選擇安全、經(jīng)濟且施工便利的裝配式混凝土梁橋。

3.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)驗算與分析

該橋下部結(jié)構(gòu)橋墩采用三柱式矩形蓋梁柱式墩,蓋梁橫向長度與橋面同寬,橋墩直徑為1.6 m,柱間距4.55 m,蓋梁縱向?qū)挾葹?.2 m,高度為1.8 m;墩臺蓋梁與柱按剛架計算,蓋梁跨中部分跨高比為5≥l:h>2.5,按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTGD62-2004)8.4.3-8.4.5進行承載力驗算,采用橫向移動荷載加載車道線方式進行模擬,橫向車道線選取范圍為特種車輛行進軌跡的寬度范圍。

取最大墩高6.5 m,采用Midas Civil軟件建立下部結(jié)構(gòu)有限元模型,蓋梁與墩柱剛接,墩底固結(jié)。共計40個節(jié)點,36個梁單元,其有限元模型如圖8所示。

圖8 下部結(jié)構(gòu)有限元模型圖

3.3.1 橋墩驗算與分析

根據(jù)橋墩直徑,從安全、經(jīng)濟及構(gòu)造配筋角度出發(fā),橋墩主筋采用HRB400鋼筋,直徑為32 mm,共42根,以保證橋墩抗壓、抗裂等承載能力;箍筋采用HPB300鋼筋,直徑為10 mm,加密段間距為10 cm,非加密段間距為15 cm,加密段長度比常規(guī)預(yù)制小箱梁橋增加10%,以提高橋墩抗剪、抗裂等承載能力,主要驗算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 橋墩墩柱抗壓驗算結(jié)果曲線圖

圖10 橋墩墩柱抗裂驗算結(jié)果曲線圖

由圖9分析可知,其橋墩抗壓驗算滿足規(guī)范要求,且儲備值較高。

由圖10分析可知,橋墩抗裂驗算雖滿足規(guī)范要求,但儲備值較低,因此,Ⅲ類-近海或海洋氯化物環(huán)境下的橋墩設(shè)計應(yīng)以裂縫寬度為控制設(shè)計,且應(yīng)在混凝土保護層厚度及構(gòu)造配筋等設(shè)計上加強。

3.3.2 蓋梁驗算與分析

蓋梁縱向?qū)挾葹?.2 m,高度為1.8 m,主筋采用HRB400鋼筋(直徑為28 mm,間距為12 cm),箍筋亦采用HRB400鋼筋(直徑為12 mm,間距為10 cm),為提高安全儲備,驗算橋墩時計入制動力(按特殊車輛運輸時總重量的10%)影響。主要驗算結(jié)果如圖11～13所示。

圖11 橋墩蓋梁正截面抗彎驗算結(jié)果曲線圖

圖12 橋墩蓋梁斜截面抗剪驗算結(jié)果曲線圖

圖13 橋墩蓋梁抗裂驗算結(jié)果曲線圖

由圖11～13分析可知,蓋梁抗彎、抗剪及抗裂驗算等均滿足規(guī)范設(shè)計要求,且儲備值均較大。可見,對于重型特種運輸車輛橋梁,當(dāng)橋梁較寬時,建議盡量按多墩柱設(shè)計。

4 結(jié)語

本文以沿海某風(fēng)電主機特種運輸通道設(shè)計為依托,對總重759 t的重型特種車輛荷載作用下的橋梁設(shè)計進行總結(jié),其主要結(jié)論及建議如下:

(1)對于重型特種車輛荷載作用下的橋型選擇,若無大跨度結(jié)構(gòu)需求,從安全、經(jīng)濟及方便施工等角度出發(fā),可優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土梁橋。

(2)對于需長期承受重型特種車輛荷載作用的橋梁結(jié)構(gòu)驗算,從安全及耐久性角度出發(fā),建議結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1,汽車荷載分項系數(shù)取1.8。

(3)對于Ⅲ類及Ⅲ類環(huán)境以上重型特種車輛荷載作用的橋梁,橋墩設(shè)計建議以裂縫寬度為控制設(shè)計,且盡量按多墩柱設(shè)計,并加強其構(gòu)造設(shè)計。

(4)重型特種車輛過橋時,應(yīng)嚴(yán)格按橋梁中心線行駛,不允許偏離規(guī)劃行車軌跡。

(5)重型特種車輛過橋時,建議臨時封閉全橋交通,嚴(yán)格要求一次只過一輛車。

(6)重型特種車輛過橋時,建議特種車輛行駛車速保持<10 km/h,且禁止剎車。