四川省大件荷載公路橋梁設計大件荷載計算要點

王崇漢， 姜 博

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川成都 610017)

1 相關設計規范

隨著現代化大工業的發展，化工、石油、冶金和電力等工業所用設備的體積和重量日益增大，一件設備重量可達幾百噸，寬、高可6m左右，長可達幾十米。這類大件設備在水路、鐵路不能運輸時，需要采用公路運輸。

大件荷載等級的不斷提升對沿線橋梁的承載能力是項非常嚴峻的考驗，由于大件荷載較常規荷載對梁體產生的荷載效應明顯提高，結構設計中除按常規荷載計算外，還應用大件荷載標準驗算結構的承載能力和應力。然而在大件公路新建和改擴建橋梁設計時，設計人員只有參考JTJ021—89《公路橋涵設計通用規范》、JTJ023—85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中對于大件荷載的相關規定，現行橋梁規范缺少關于大件荷載的橫向布置、持久狀況承載能力極限狀態、持久狀況正常使用極限狀態計算的相關要求。

筆者參與了四川省內多條大件公路的設計，根據筆者對大件公路橋梁計算的理解，并結合JTJ021—89《公路橋涵設計通用規范》、JTJ023—85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對大件荷載的相關規定，提出大件公路橋梁大件荷載滿足現行規范JTGD60—2015《公路橋涵設計通用規范》、JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》、《四川省大件公路設計技術指標規定》(2006年)的計算要點，希望能給相關從業人員帶來一些啟發。

2 大件荷載橫向布置

大件荷載的橫向布置對橋梁結構的荷載效應非常明顯，尤其偏載情況下，引起橋梁結構的扭轉和畸變效應明顯大于常規汽車荷載，然而目前僅有《四川省大件公路設計技術指標規定》(2009年6月)給出了大件荷載的平板車輪距布置圖，未規定平板車車輪到護欄的距離，因此設計人員在進行大件荷載橋面橫向布置的時候往往具有隨意性。筆者經過調查后發現在大件荷載的橫向布置方式主要有：

(1)大件運輸時橫橋向車輛運行在橋梁中部范圍內，設計單位一般按對稱布置。

(2)按照JTJ021—89《公路橋涵設計通用規范》平板掛車橫向布置圖，按車輪到護欄的凈距為1.0m開始布置。

結合筆者的經驗，布載方式一未考慮偏載情況，亦未考慮偏載引起的橋梁扭轉效應，偏不安全；布載方式二考慮了偏載效應，亦有規范可查，是較為合理的布置方式。建議采用布載方式二進行橋梁計算分析。

3 大件荷載持久狀況承載能力極限狀態計算

在進行大件荷載作用基本組合中結構重要性系數取1.1，永久荷載的分項系數取1.2，大件荷載的分項系數按《四川省大件公路設計技術指標規定》(2009年6月)第十二條采用：對單體質量不大于290t的貨物，驗算時其荷載效應組合系數取1.4；對單體質量大于290t的貨物，驗算時其荷載效應組合系數取1.1，驗算荷載不考慮沖擊系數。

大件公路橋梁大件荷載持久狀況承載能力極限狀態正截面承載力、最小配筋率、受壓區高度，斜截面承載力及構造尺寸應按JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算。

4 大件荷載持久狀況正常使用極限狀態計算

對于構件正常使用極限狀態設計，《四川省大件公路設計技術指標規定》(2009年6月)未對其進行規定，筆者認為對于預應力混凝土構件應進行應力驗算，對于普通鋼筋混凝土構件應進行裂縫寬度驗算，其計算方法予以補充。

規范JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》正截面抗裂驗算按作用頻遇組合，汽車荷載頻遇系數取0.7，且汽車荷載不計沖擊系數，計算公式6.3.1-1、公式6.3.1-2、公式6.3.1-3只適用于汽車荷載。大件荷載橋梁正常使用階段驗算時，汽車荷載頻遇系數取1.0，直接采用規范公式進行驗算，筆者覺得不妥，結合實際計算情況和筆者經驗，大件荷載作為驗算荷載，其構件正常使用極限狀態設計可參照JTJ023-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》和國際預應力混凝土協會、歐洲混凝土協會可按下述原則計算：

4.1 全預應力構件

在全部使用荷載最不利組合作用下，受拉區混凝土不出現拉應力。荷載組合系數均為1.0。

(1)在全部使用荷載最不利組合作用下，預應力混凝土受彎構件受拉區混凝土的最大拉應力(扣除全部預應力損失)應滿足：σhl≤0。

(2)在全部使用荷載最不利組合作用下，預應力混凝土受彎構件受壓區混凝土的最大壓應力(扣除全部預應力損失)應滿足：σha≤0.6fck。

(3)在全部使用荷載最不利組合作用下，預應力混凝土受彎構件在計算混凝土主拉應力和主壓應力時，應滿足：σzl≤0.9ftk，σza≤0.65fck。

(4)在全部使用荷載最不利組合作用下，構件中預應力鋼絞線的應力(扣除全部預應力損失)應滿足：σy≤0.70fPk。

4.2 A類有限預應力構件

在全部使用荷載最不利組合作用下，混凝土允許出現拉應力，但不超過其彎拉強度；在長期持續荷載作用下，混凝土不出現拉應力。荷載組合系數均為1.0。

(1)在全部使用荷載最不利組合作用下，預應力混凝土受彎構件受拉區混凝土的最大拉應力(扣除全部預應力損失)應滿足：σhl≤0.9ftk。

(2)在全部使用荷載最不利組合作用下，預應力混凝土受彎構件受壓區混凝土的最大壓應力(扣除全部預應力損失)應滿足：σha≤0.6fck。

(3)在全部使用荷載最不利組合作用下，預應力混凝土受彎構件在計算混凝土主拉應力和主壓應力時，應滿足：σzl≤0.9ftk，σza≤0.65fck。

(4)在全部使用荷載最不利組合作用下，構件中預應力鋼鉸線的應力(扣除全部預應力損失)應滿足：σy≤0.70fPk。

4.3 鋼筋混凝土構件

在全部荷載最不利組合作用下，構件混凝土允許出裂縫，但裂縫寬度不超過值(0.25mm)。荷載組合系數均為1.0。

對于裝配式預應力混凝土簡支T梁和裝配式預應力混凝土簡支小箱梁驗算荷載可按A類有限預應力構件設計，其它特殊結構橋梁應按全預應力構件設計。

5 20 m預應力混凝土簡支小箱梁計算示例

5.1 設計資料

橋面凈空：0.5m(防撞護欄)+19.0m(橋面凈寬)+0.5m(防撞護欄)。

設計荷載：公路—I級；驗算荷載：尼古拉/水工窄系列29軸線4縱列車型。

設計安全等級：I級。

環境類別：I—B級。

環境的年平均相對濕度：80%。

5.2 材料規格

混凝土：預制小箱梁及梁間濕接縫采用C50混凝土。

鋼筋：采用HPB300、HRB400鋼筋。

預應力鋼絞線：采用符合GB/T5224-2014《預應力混凝土用鋼絞線》規定的低松弛高強度鋼絞線，其抗拉強度標準值fpk=1860MPa。

5.3 小箱梁截面尺寸

(1)小箱梁橫斷面布置見圖1。

(2)預制小箱梁立面尺寸見圖2。

圖1 小箱梁橫斷面(單位：cm)

圖2 預制小箱梁立面(單位：cm)

(3)預制小箱梁截面尺寸見圖3。

圖3 預制小箱梁截面(單位：cm)

5.4 大件荷載計算成果

中梁、邊梁預應力鋼絞線8束5φs15.2mm，主筋采用HRB400鋼筋直徑16mm，共11根，箍筋采用HRB400直徑12mm，兩箍，梁端向跨徑方向長397mm，箍筋間距10cm，其余箍筋間距15cm。

(1)橫向分布計算：采用布載方式二，橫向分配系數支點采用扛桿法，跨中采用剛接板梁法計算，中梁跨中mz=0.287，支點mc=0.46；邊梁跨中mz=0.278，支點mc=0.292。

(2)持久狀況正常使用極限狀態正截面抗彎承載能力驗算：邊梁跨中彎矩γ0Md=7660kN·m,允許值Mud=9070kN·m，滿足設計要求；中梁跨中彎矩γ0Md=7890kN·m,允許值Mud=9160kN·m，滿足設計要求。

(3)持久狀況正常使用極限狀態斜截面抗剪承載能力驗算：邊梁支點剪力γ0Vd=1148kN,允許值Vcs+Vpb=2460kN，滿足設計要求；中梁支點剪力γ0Vd=1229kN,允許值Vcs+Vpb=2460kN，滿足設計要求。

(4)持久狀況正常使用極限狀態混凝土的最大拉應力驗算：邊梁跨中下緣應力σhl=-0.058MPa,允許值[σhl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設計要求；中梁跨中下緣應力σhl=-0.495MPa,允許值[σhl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設計要求。

(5)持久狀況正常使用極限狀態混凝土的最大壓應力驗算：邊梁最大壓應力σha=12.5MPa,允許值[σzl]=0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，滿足設計要求；中梁最大壓應力σha=12.3MPa,允許值[σha]=0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，滿足設計要求。

(6)持久狀況正常使用極限狀態混凝土主壓應力、主拉應力驗算：邊梁最大主壓應力σza=12.5MPa,允許值[σza]=0.65fc=0.65×32.4=21.06MPa，最大主拉應力σzl=-0.513MPa,允許值[σzl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設計要求；中梁最大主壓應力σza=12.3MPa,允許值[σza]=0.65fc=0.65×32.4=21.06MPa，最大主拉應力σzl=-0.665MPa,允許值[σzl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，滿足設計要求。

(7)持久狀況正常使用極限狀態預應力鋼筋的最大拉應力驗算：邊梁鋼束最大拉應力1 150MPa,中梁鋼束最大拉應力1 150MPa，允許值拉應力=0.70fpk=0.70×1860=1302MPa，滿足設計要求。

5.5 大件荷載計算結論

按本文的計算要點表明20m預應力混凝土簡支小箱梁正截面抗彎承載能力、使用階段正截面、斜截面抗裂、鋼束最大拉應力、混凝土主壓應力、主拉應力均滿足規范要求。