重型特種車輛荷載作用下的橋梁設計

朱智宇,周 群

(廣西路橋集團勘察設計有限公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

近年來,隨著交通運輸業的飛速發展,各行各業對大件物品的運輸需求也越來越多,例如,特種軍用裝備、特種工業設備、特種風力電機等,這些特殊的大件在通過現有橋梁時,都需要對現有橋梁進行詳細的結構驗算,驗算滿足其承載要求后方可通行[1-3]。

一般的橋梁設計有成熟成套的規范遵循,但由于以往特種荷載車輛通行次數少,需求量有限,現行《城市橋梁設計規范》(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范規定值并非完全一致,且單輪重及車輛總重往往超過規范所列最大值(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計變得越來越復雜,需要設計者結合規范及自身經驗進行專項設計[4-6]。

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

1 工程背景簡介

該項目位于沿海某城市,為滿足某海上風力發電設備廠運輸海上風力電機(重量達759 t)要求而建,即將海上風力電機從設備廠運輸至海港碼頭。經現場實地勘察,運輸車必須途經一上構10×20 m的預應力混凝土簡支空心板橋。經結構驗算,現狀橋梁無法滿足重量達759 t海上風力電機的承載要求,根據規劃紅線,路線又必須從此現狀橋梁通過,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;北側堤岸頂土路寬度約5.1～5.6 m,高程約5.5 m;南側堤岸頂土路寬度約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

根據海上風力發電設備廠提供的重型特種運輸車參數,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、經濟等角度出發,跨徑考慮與舊橋一致,均采用20 m。

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

上部結構形式則采用常用的預應力混凝土預制小箱梁與整體現澆箱梁兩種結構類型進行方案比選,其詳細的方案比選結果如表1所示。

表1 橋型方案比選分析表

由表1分析可知,預制小箱梁方案結構簡單、受力明確、施工快捷且造價經濟,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)的預制小箱梁方案,下文將從安全角度出發,對結構進行進一步的驗算與分析。

3 橋梁結構驗算與分析

3.1 橋梁結構設計基本參數

該橋橋跨布置為9×20 m,橋面寬度為13 m,上部結構橫向設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。其標準橫斷面如圖2所示。

圖2 預制小箱梁標準橫斷面圖(m)

下部結構橋墩采用柱式墩,樁基礎。每個橋墩設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。每個橋臺設3根鉆孔灌注樁,樁基直徑為1.8 m,樁間距為4.55 m。

3.2 橋梁上部結構驗算與分析

由于該橋特種車荷載不在規范列舉之內,因此,為保證橋梁結構整體安全,上部結構采用整體梁格法進行結構驗算與分析。通過Midas Civil軟件建立結構整體有限元模型,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 上部結構整體有限元模型圖

規定一次僅過一輛特種車,嚴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,《城市橋梁設計規范》對通行特種車輛的橋梁規定結構重要性系數取1.0,汽車荷載分項系數取1.1,考慮到該橋需要長期將海上風力電機從設備廠運輸至碼頭,因此從安全及耐久角度出發,依據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)[8]相關條文,該橋結構重要性系數取1.1(重要結構),汽車荷載分項系數取1.8(車輛荷載分項系數)。

根據結構基頻計算得沖擊系數為0.05,按規范單車道加載橫向分布系數取1.2,得橋梁上部結構抗彎、抗剪及抗裂等主要驗算結果如圖4～7所示。

圖4 正截面抗彎驗算結果示意圖

圖5 斜截面抗剪驗算結果示意圖

圖6 正截面抗裂驗算結果示意圖

圖7 斜截面抗裂驗算結果曲線圖

由圖4～7分析可知,其上部結構抗彎、抗剪及抗裂驗算等均滿足規范設計要求,且內力及應力儲備值均較大。

此外,結構在使用階段的撓度在考慮長期效應的影響下,由汽車荷載(不計沖擊力)產生的最大撓度為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,若無大跨度結構需求,可優先選擇安全、經濟且施工便利的裝配式混凝土梁橋。

3.3 橋梁下部結構驗算與分析

該橋下部結構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,蓋梁縱向寬度為2.2 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應力混凝土橋涵設計規范》(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軟件建立下部結構有限元模型,蓋梁與墩柱剛接,墩底固結。共計40個節點,36個梁單元,其有限元模型如圖8所示。

圖8 下部結構有限元模型圖

3.3.1 橋墩驗算與分析

根據橋墩直徑,從安全、經濟及構造配筋角度出發,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,加密段長度比常規預制小箱梁橋增加10%,以提高橋墩抗剪、抗裂等承載能力,主要驗算結果如圖9、圖10所示。

圖9 橋墩墩柱抗壓驗算結果曲線圖

圖10 橋墩墩柱抗裂驗算結果曲線圖

由圖9分析可知,其橋墩抗壓驗算滿足規范要求,且儲備值較高。

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

3.3.2 蓋梁驗算與分析

蓋梁縱向寬度為2.2 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。主要驗算結果如圖11～13所示。

圖11 橋墩蓋梁正截面抗彎驗算結果曲線圖

圖12 橋墩蓋梁斜截面抗剪驗算結果曲線圖

圖13 橋墩蓋梁抗裂驗算結果曲線圖

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

4 結語

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

(1)對于重型特種車輛荷載作用下的橋型選擇,若無大跨度結構需求,從安全、經濟及方便施工等角度出發,可優先選用預應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構驗算,從安全及耐久性角度出發,建議結構重要性系數取1.1,汽車荷載分項系數取1.8。

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

(4)重型特種車輛過橋時,應嚴格按橋梁中心線行駛,不允許偏離規劃行車軌跡。

(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。