某橋梁超限運輸荷載計算分析

朱正，閆 恒，王安陽（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，超限運輸在交通運輸系統(tǒng)中日益成為普遍現(xiàn)象，同時也給公路橋梁帶來安全隱患。在超限運輸無法避免的情況下，從設(shè)計角度提前考慮超限荷載，提高橋梁承載能力，成為避免橋梁出現(xiàn)安全隱患的一種解決方案。

我公司總承包的非洲某水泥生產(chǎn)線項目，根據(jù)總包合同要求，需要設(shè)計和建造一座廠區(qū)內(nèi)部永久性橋梁。橋梁竣工后，除作為燃料、輔料進出廠區(qū)的主要通道外，還要在建設(shè)階段作為重型設(shè)備（如減速機、磨盤等）進場的通道。因此橋梁如期順利完成設(shè)計施工，對按時完成磨機等關(guān)鍵設(shè)備運輸進場，進而確保整個項目如期履約意義重大。本文簡要介紹此橋梁設(shè)計過程，重點介紹超限運輸荷載作用下的橋梁設(shè)計計算。

1 工程概況

項目位于非洲某水泥廠廠區(qū)內(nèi)，橋面總寬度110m（80m雙車道+兩側(cè)1.50m人行道）。橋梁跨過廠區(qū)內(nèi)的一條季節(jié)性河流，不考慮通航。下游是業(yè)主建設(shè)的一座大壩。由于地處非洲地區(qū)，當?shù)啬苁占降乃馁Y料非常有限，根據(jù)業(yè)主提供的大壩蓄水頂標高，對比上、下游已有相鄰橋梁的凈過水面積，結(jié)合季節(jié)性河流寬度，確定橋梁跨度為19×3=570m，兩端標高根據(jù)連接道路的標高分別定為191.961m，193.597m，橋面縱向坡度為2.87%。根據(jù)項目工期要求、現(xiàn)有機具狀況，確定橋面采用預(yù)制箱梁，主體承重結(jié)構(gòu)為3×4=12根預(yù)應(yīng)力單室單箱梁。橋梁縱、橫剖面布置見圖1，2。

圖1 橋梁縱剖面布置圖

圖2 橋梁橫剖面布置圖

2 設(shè)計荷載

本項目橋梁各主要構(gòu)件的設(shè)計，包括橋面預(yù)應(yīng)力箱梁、橋墩/橋臺等，控制荷載為汽車荷載。根據(jù)規(guī)范要求，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁計算的整體計算采用車道荷載；橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺和擋墻土壓力等的計算采用車輛荷載。車輛荷載與車道荷載的作用不得疊加[1]。

由業(yè)主提供的車型圖及交通量，確定本項目車道荷載按公路-I級標準，車輛荷載按超限運輸荷載考慮。根據(jù)設(shè)備信息，設(shè)備自重（含包裝）重量約為137t，運輸車輛自重約為55t，總重量超過190t，遠超規(guī)范中車輛荷載限值（總重約55 t）。設(shè)計中采用橋梁博士及Midas Civil兩種軟件，對上述車輛及車道荷載分別進行計算。

3 設(shè)計過程概要

3.1 橋面預(yù)應(yīng)力箱梁設(shè)計

采用Midas Civil通用軟件進行有限元分析，主要荷載如下：

第1類活載：車輛荷載，即超限運輸荷載，根據(jù)車型圖分解后見圖3，按規(guī)范要求，單向布置。

圖3 車輛荷載示意圖

第2類活載：車道荷載，按公路-Ⅰ級標準，如圖4所示，按規(guī)范要求，雙向布置。

圖4 車道荷載示意圖

預(yù)應(yīng)力箱梁的整體模型及箱梁截面見圖5，6。

圖5 預(yù)應(yīng)力箱梁整體三維模型

箱梁計算中，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂性或裂縫寬度限值確定預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量，普通鋼筋按構(gòu)造配置即滿足要求。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用φs15.2低松弛高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱面積140 mm2，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。經(jīng)過試算，預(yù)應(yīng)力鋼筋選取為：上緣為4×7-φs15.2+2×6-φs15.2鋼絞線；下緣為2×6-φs15.2鋼絞線，普通鋼筋按構(gòu)造要求配置即滿足要求。鋼絞線布置見圖7，8。

圖6 箱梁截面尺寸

圖7 鋼束橫向布置圖

圖8 鋼束縱向布置圖

對按試算結(jié)果配置預(yù)應(yīng)力鋼筋的箱梁，進行以下驗算[2]：

（1）持久狀況（使用階段）結(jié)構(gòu)極限承載能力的驗算。

（2）持久狀況（使用階段）正常使用極限狀態(tài)抗裂驗算。

（3）持久狀況（使用階段）應(yīng)力計算。

（4）短暫狀況（施工階段）應(yīng)力驗算。

各項承載力及抗裂驗算結(jié)果表明，各項承載力及抗裂設(shè)計指標均滿足規(guī)范要求。

同時根據(jù)規(guī)范要求，受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮荷載長期效應(yīng)的影響。箱梁主體采用C50混凝土，其撓度長期增長系數(shù)ηθ＝1.425，消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，主梁的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600。表1所列為消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的撓度后，箱梁在使用階段的撓度最大值，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表1 極限狀態(tài)撓度驗算表

3.2 橋墩/橋臺設(shè)計

初定各橋墩、橋臺截面后，根據(jù)幾何尺寸計算橋墩/橋臺剛度。橋墩采用GJZ 300 mm×350 mm×85 mm板式橡膠支座，橋臺采用GYZF4 300 mm×350 mm×87mm滑板式橡膠支座，考慮支座剛度后，最終得到橋墩、橋臺的集成剛度分別為：

忽略橋梁兩端墩臺剛度的差異，上部結(jié)構(gòu)溫度變形零點為中跨中心，根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料，按升降溫度各25℃計算變形。成橋后，梁體的撓度變形、混凝土收縮、徐變等因素均為收縮狀況，與降溫狀態(tài)相近，根據(jù)經(jīng)驗，相當于降溫30℃，所以，本設(shè)計按照降溫55℃計算變形及對墩臺產(chǎn)生的影響。

降溫55℃時，上部結(jié)構(gòu)在橋墩處的變位為：

單個橋墩降溫溫度力：H1＝H2＝Δ1×K＝65.2 kN。

升溫25℃時，上部結(jié)構(gòu)在橋墩處的變位為：

單個橋墩升溫溫度力：H1＝H2＝Δ2×K＝29.6 kN

降溫55℃時，上部結(jié)構(gòu)在橋臺處的變位為：

橋臺降溫溫度力為：H0＝H3＝Δ3×K＝216 kN

升溫25℃時，上部結(jié)構(gòu)在橋臺處的變位為：

橋臺升溫溫度力為：H0＝H3＝Δ4×K＝98 kN

公路-1級車道荷載對應(yīng)的單列行車產(chǎn)生制動力為：

全橋布載時：T=[（19+19+19）×10.5+298]×10%=69.7 kN，不小于165 kN，取165 kN。

單側(cè)布載時：T=（19×10.5+298）×10%=49.7kN，不小于165 kN，取165 kN。

同向行駛兩車道的汽車荷載制動力標準值為一個設(shè)計車道制動力標準值的2.0倍。即本橋按照兩個車道荷載進行計算[1]。汽車制動力最大為Hz＝330 kN。各墩臺水平力見表2，以其中各項計算結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入橋梁博士軟件進行建模分析。

橋墩/橋臺設(shè)計的豎向荷載，同樣考慮車輛荷載及車道荷載。

車輛荷載即超限運輸荷載，采用Midas Civil軟件，計算超限運輸荷載作用下的蓋梁及橋墩/橋臺內(nèi)力，之后提取支座反力，再輸入橋梁博士軟件，進行基礎(chǔ)設(shè)計。

車道荷載按公路-Ⅰ級標準，使用橋梁博士軟件，進行蓋梁、橋墩/橋臺及基礎(chǔ)的全部設(shè)計計算。

表2 各橋墩/橋臺水平力匯總表

4 結(jié)語

通過上述超限運輸荷載的計算分析，本項目橋梁設(shè)計有效保障了重型設(shè)備通行的安全性。目前橋梁竣工一年有余，重型設(shè)備已順利通過，橋梁運行狀態(tài)良好，確保項目正常履約的同時，也贏得了業(yè)主的高度認可。本項目的設(shè)計計算，對其他大型工業(yè)項目有特定超限設(shè)備通行需求的廠區(qū)內(nèi)橋梁設(shè)計，特別是存在檢修需求，可能出現(xiàn)多次超限運輸?shù)臉蛄涸O(shè)計，具有一定的參考和指導(dǎo)意義。