特種車輛荷載作用下橋梁結構內力驗算

謝 丹 惠小磊 張國強

（1、陜西西公院工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710065 2、陜西交控市政路橋集團有限公司，陜西 西安 710065 3、西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065）

近年來，隨著經濟的發(fā)展，大型建筑需求不斷增多，一些大型設備需要通過特種車輛過橋運輸。但是由于設計荷載等級所限，原有城市橋梁已不能滿足特種車輛過橋的需要；另外，現(xiàn)有橋梁確實存在一些隱患和問題，如早期修建的橋梁日益老化，承載能力明顯下降，若特種車輛直接行駛在這些橋梁上，可能會引起橋梁的損壞甚至發(fā)生重大安全事故[1，2]。因此，對超限車輛通行路線的橋梁通過能力進行安全評估就顯得格外重要。本文以某工業(yè)園區(qū)大橋為例，進行承載能力分析，對橋梁的結構安全性能進行評估，同時給出了超限車輛過橋的建議和措施。

1 工程概況

該橋建于2008 年，全長167m。上部結構采用8-20m預應力混凝土連續(xù)箱梁，兩聯(lián)，4 跨一聯(lián)，單幅橫向布置4片梁，單幅橋面寬度為0.5m（護欄）+11m（行車道）+0.5m（護欄）；下部結構為肋板式臺，雙柱墩，鉆孔灌注樁基礎；橋梁設計荷載等級為公路-Ⅰ級。該橋目前運營狀況良好。

為運輸特種設備，需兩輛車貨總重均為225 噸的特種車經過該大橋。為確保運輸安全，驗證特種車通過橋梁的可行性，對橋梁進行設計荷載驗算和特種車輛荷載驗算，對驗算結果進行對比，從而確定特種車輛過橋時所產生的荷載效應是否滿足設計荷載要求，并在理論驗算結果表明特種車輛荷載效應滿足原設計要求時提出安全的通行措施。橋梁檢算主要從結構強度方面進行承載能力檢測評定，理論承載能力評定考慮承載能力極限狀態(tài)進行驗算[3，4]。

2 橋梁結構驗算方法

該大橋設計荷載為公路-Ⅰ級，車輛荷載橫向布置圖見圖1；兩輛特種車長均為60m，高5m，寬4.8m，縱向均為13 軸，車貨總重均為225 噸，具體各軸重分配及布置見圖1。

圖1 特種車軸重橫向分配

本次驗算按照單梁計算，故需要計算出設計荷載和特種車輛荷載作用下最大橫向分布系數(shù)的單梁位置，從而對最大橫向分布系數(shù)的單梁在兩種荷載作用下進行計算。其中設計荷載按公路-Ⅰ級橫向中載、偏載兩種情況計算，取橫向分布系數(shù)最大者計；特種車按單車道一輛車橫向居中布置計算。

如果設特種車在該單梁上產生的內力值為M（V）t；公路-Ⅰ級荷載在該單梁上產生的最大內力值為M（V）g；則當M（V）t/M（V）g≤1.3 時，該特種車通過K15+035 蘆河大橋是可行的；則當M（V）t/M（V）g＞1.3 時，應進行極限承載能力驗算，通過驗算結果判定特種車通過該橋的可行性[5]。

根據(jù)有限元計算原理并通過計算機電算程序，采用剛接板梁法對該大橋按公路-Ⅰ級與特種車輛分別進行橫向分布系數(shù)計算，具體結果如表1。

表1 橫向分布系數(shù)

由以上數(shù)據(jù)可以看出設計荷載對1、4 號梁的橫向分布系數(shù)最大，特種車輛對2、3 號梁的橫向分布系數(shù)最大；故為保證特種車輛過橋安全，對2 號梁進行單梁計算。2號梁在設計荷載及特種車單獨作用下橫向分布系數(shù)取值分別為0.590、0.281。

考慮到特種車輛軸重特別大，分別對特種車輛車輪荷載和設計車輪荷載進行了局部驗算，對驗算結果進行對比以驗證梁間板的承載能力是否滿足特種車輛車輪荷載效應[6]。

3 主梁計算

3.1 計算模型的建立

根據(jù)有限元原理，上部結構采用計算機電算程序進行單梁計算，梁體所分擔的荷載按橫向分布系數(shù)計，縱向荷載分布由電算程序按規(guī)范規(guī)定自動計算設計荷載最不利狀況，特種車輛荷載縱向分布根據(jù)跨中控制截面彎矩影響線取最不利布置。共劃分80 個計算單元，結構計算模型離散圖如圖2 所示。

圖2 單梁計算離散圖

3.2 結構內力計算

在計算設計荷載作用下結構內力效應時計入汽車沖擊系數(shù)[7]，在計算特種車輛荷載效應時，不計入汽車沖擊系數(shù)，要求特種車輛過橋時嚴格按照規(guī)范要求以5Km/h的車速勻速通過。公路-Ⅰ級荷載、特種車1、特種車2 作用下主梁控制截面內力情況分別見表2、表3、表4。

表2 公路-Ⅰ級荷載作用下主梁控制截面內力

表3 特種車1 作用下主梁控制截面內力

表4 特種車2 作用下主梁控制截面內力

4 車輪荷載局部簡算

板（濕接縫+兩側翼緣板）寬1.3m,厚0.2m(均值)。順橋向La=19.2m,橋向Lb=1.3m，La/Lb=14.8，遠大于2。按要求，行車道板為單向板，為安全計不考慮縱橋向彎矩、剪力的傳遞，取單位寬度按簡支結構進行計算。

4.1 計算參數(shù)

計算彎矩時，計算跨徑l=l0+t=1.5m；計算剪力時，計算跨徑l=l0=1.3m。本次驗算荷載為公路-Ⅰ級、特種車荷載。特種車按規(guī)范要求居中行駛。

公路-Ⅰ級荷載取后軸進行計算。汽車后輪的著地長度a2=0.2m，寬度b2=0.6m,后軸上的壓力140KN，此時橋面板上的輪壓區(qū)域為：a1=a2+2h=0.54m；b1=b2+2h=0.84m。特種車取后軸進行計算。汽車后輪的著地長度a2=0.2m，寬度b2=0.6m,后軸上的壓力取最大值195KN，此時橋面板上的輪壓區(qū)域為：a1=a2+2h=0.54m；b1=b2+2h=0.79m。

車輪在板跨中部時：a=a2+2h+l/3=0.94m＜2l/3=1m，應取1m；a’= a2+2h+t=0.74m。a(a’)＜d=1.4m，即有效分布寬度小于兩后軸輪距，所以兩后軸各自的有效分布寬度不發(fā)生重疊，故板內的車輪荷載為P/2=70KN。根據(jù)圖4 所示，車輛居中行駛時，車輪在板端。則a=0.84＜d=1.55m，即有效分布寬度小于后軸輪距，所以后軸各自的有效分布寬度不發(fā)生重疊，故板內的車輪荷載為P/4=48.75KN。

4.2 驗算結果分析

橋梁結構承載能力極限狀態(tài)評定采用荷載效應比較分析法。首先，依據(jù)設計荷載得出橋梁主要控制截面內力組合值；然后，根據(jù)橋梁的設計資料及由質量調查獲得的折減系數(shù)，計算出橋梁各構件承載能力極限狀態(tài)下的抵抗力；最后，通過比較兩者的大小來判斷該橋承載能力極限狀態(tài)能否滿足要求，只有當荷載效應不利組合值小于或等于抵抗效應時，其承載能力滿足設計要求。公路-Ⅰ級荷載按最不利位置布置，計算時考慮沖擊系數(shù)的影響；特種車按圖2 位置布置，計算時不考慮沖擊系數(shù)。驗算結果滿足要求。

經過兩種荷載進行橫向分布與折減后對該橋2 號梁各截面的內力值折線圖如圖3、圖4 所示。

圖3 2 號梁剪力彎矩比較折線圖(特種車1)

圖4 2 號梁剪力彎矩比較折線圖(特種車2)

由以上兩種荷載作用下各截面的內力值與2 號梁各截面內力折線圖可以看出M(V)t/M(V)g＜1.3，車輪荷載的局部對比簡算結果表明特種車輛車輪荷載效應小于設計荷載車輪效應，故這兩輛特種車分別單獨通過該是可行的。

5 結論

由以上計算可知，特種1 和2 分別單獨通過該大橋是可行的。特種車輛對上部結構產生的彎矩效應和剪力效應均小于橋梁原設計荷載產生的效應。重車運輸過程中橋梁上部結構處于安全狀態(tài)。特種車輛可以安全通過大橋，但要注意特種車輛過橋可能會損壞橋梁，因此過橋時還應注意以下幾點：

a.在重車運輸過程中，車速不得超過5km/h，且車速要均勻，不得在橋上出現(xiàn)剎車或加速的情況；

b.在重車運輸過程中，車輛須盡量沿橋梁中心線通過（居中通過），過橋過程中盡量不調整行駛方向；

c.在重車運輸過程中，須安排2 名專業(yè)人員在橋梁側面觀察，實時跟蹤梁板裂縫情況；如有新裂縫產生或舊裂縫持續(xù)發(fā)展的情況（或其他危險情況），立即終止運輸，車輛駛離橋梁；

d.運輸完畢后，需要按規(guī)定向橋梁有關部門報備情況，以便對橋梁進行后續(xù)檢查；

e.過橋時應臨時封閉全橋交通，除特種車以外，橋上不允許有任何其他車輛以及任何行人；

f.特種車過橋時應沿橋中心線行駛，車速按5km/h 勻速行駛通過，不得突然加速或剎車；

g.重車過橋的時間段宜在07:00～19：00，嚴禁夜間及雨霧天通行。