特載交通下預制梁橋主梁設計比選及承載能力分析

楊曉天 李吉興

摘要 近年來超載、超限運輸車輛越來越多，現行橋梁設計荷載已不能滿足特載通行需求。文章介紹了200 t特載橋梁設計過程，通過設計比選確定上部結構形式；然后利用有限元分析軟件建立了梁格模型，對特載工況下的承載力進行了安全驗算；最后根據計算結果，對橋梁結構進行了加強。文章為特載橋梁設計與驗算提供了有益參考。

關鍵詞 特載車輛；預制梁橋；承載力分析

中圖分類號 U441文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0120-03

0 引言

近年來，隨著我國工業化進程加速和交通運輸量的增長，使用和運輸的大型裝備數量大幅增加。此外，由于技術和計算方法的快速發展，為了適應更加復雜的運輸條件，出現了多種用于特殊用途的橋梁結構[1]。

現有的設計規范和理論，適用于普通橋梁結構的設計。上述部分特殊用途的橋梁，無法應用現有規范理論進行計算[2]。該文以實際工程為背景，通過有限元分析軟件“橋梁博士”，建立空間模型，模擬實際的特殊車輛荷載，進行仿真分析。通過不同主梁形式對比分析，確定主梁的結構形式，并對選定的主梁進行承載力驗算，保證特載交通下橋梁的正常使用功能和安全性，為后續工程提供一定的借鑒意義[3]。

1 工程概況

該項目位于某經濟開發區，擬建橋梁采用1～20 m預制梁橋，橋梁全長為26 m，橋梁全寬為17 m，基礎采用樁基礎。

根據廠區貨運要求，最大通行車輛為特載運輸車（920運輸車）、軸線板車；縱向軸距寬為1.55 m，車板寬度為3.2 m，車板離地高度為1 m，車板總長度為22 m；車頭為5 m，總長度為27 m；車輛自重為40 t，運輸貨物最大重量為160 t。如圖1和圖2所示。

2 設計方案比選

在選擇橋梁上部結構形式時，應優先選擇標準化、裝配化、工廠化的結構類型，綜合考慮不同結構形式的結構特點、施工難易程度等，選取有代表性的結構類型進行比選[4]。結合該項目的具體情況，考慮橋梁凈空和當地預制場的實際情況，并且考慮橋梁使用用途、特載交通較大，因此該文通過各方面綜合比較，對20 m預制空心板和預制小箱梁進行綜合比較，選取最優結構，構造尺寸和配筋均參照標準圖[5]。詳見表1所示。

從構造和施工兩個方面，分析對比兩種結構形式的橋梁，得出的主要結論如下：

（1）預制先張法空心板采用四支座，施工時鋼板較難調平，導致支座脫空、板梁橫向彎矩增大，從而引起板梁和板底的縱裂。相比之下，小箱梁采用單支座，較難出現支座脫空。

（2）“單板受力”是空心板簡支梁橋最常見且致命的病害之一，這是空心板的鉸縫破損所引起。此類病害可導致空心板橋梁體開裂，使結構的承載能力與耐久性下降。小箱梁采用現澆剛接縫進行橫向聯系，從荷載橫向分布、結構受力體系等角度分析，其優于空心板結構。

結合該項目特載交通較多等特點，因此選取預制小箱梁為上部結構。

3 預制小箱梁承載力分析

上部結構按部分預應力A類構件設計，采用“橋梁博士4.4.1版”軟件建立全橋1～20 m預制小箱梁的梁格模型，對上部結構進行計算分析。驗算荷載：920（20線20軸2縱列）運載車的自重為40 t，運輸貨物最大重量為160 t。梁格模型如圖3所示：

3.1 承載能力極限狀態計算

3.1.1 正截面承載力驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）[6]（簡稱《公橋規》）第5.1.2條的規定，橋梁構件的承載能力極限狀態計算應滿足：

γ0S≤R （1）

如圖4和圖5所示，結構最大內力出現在跨中位置，最大內力為6 665.3 kN，對應位置的承載力為8 395.8 kN，均滿足規范要求。

3.1.2 斜截面承載力驗算

根據《公路規》第5.1.2條的規定，橋梁構件的承載能力極限狀態的計算應滿足式（2）：

γ0S≤R （2）

如圖6和圖7所示：主梁支點處剪力最大，最大剪力

1 958.4 kN，抗剪承載力2 757.0 kN，主梁抗剪承載能力極限狀態驗算滿足規范要求。

3.2 正常使用極限狀態計算

3.2.1 頻遇組合下正截面抗裂驗算

根據《公路規》第6.3.1條第1款規定，應對構件正截面混凝土的拉應力進行驗算，并應符合下列要求：

A類預應力混凝土構件：

σst?σpc≤0.7ftk （3）

σlt?σpc≤0 （4）

如圖8所示，構件正截面混凝土的最小拉應力為0.49 MPa，小于1.86 MPa，滿足規范要求。

3.2.2 準永久組合下正截面抗裂驗算

根據《公橋規》第6.3.1條第1款規定，應對構件正截面混凝土的拉應力進行驗算，并應符合式（3）和式（4）的相關要求。

如圖9所示，構件正截面混凝土無拉應力出現，最小壓應力0.74 MPa，滿足規范要求。

3.2.3 斜截面抗裂驗算

根據《公路規》第6.3.1條第2款規定，斜截面抗裂應對構件斜截面混凝土的主拉應力進行驗算，并應符合下列要求：

A類和B類預應力混凝土預制構件：

σtp≤0.7ftk （5）

如圖10所示，構件斜截面混凝土的主拉應力最大0.52 MPa，小于1.33 MPa，滿足規范要求。

3.2.4 撓度驗算

如圖11所示，根據橋梁結構計算，撓度最大值為1.02 cm＜（L/600）=2 000 cm/600≈3.33 cm，滿足規范要求。

4 特載橋梁設計建議

橋梁設計構造要求如下：

（1）為滿足特載承載力要求，應分別對中板和邊板的預應力鋼束進行加強。

（2）增加中橫隔板，并且將橋面鋪裝現澆層調整為15 cm，此外對預制梁結構的橫向鋼筋進行整體加強，以提高結構橫向剛度和抗扭。

5 結語

（1）當特載橋梁設計采用預制結構時，建議采用預制小箱梁。小箱梁采用現澆剛接縫進行橫向聯系，從荷載橫向分布、結構受力體系等角度分析均優于空心板結構。

（2）通過200 t特載對預制小箱梁進行上部結構計算，結構承載力極限狀態和正常使用極限狀態下受力均滿足規范要求。

（3）進行特載橋梁構造設計時，應優化橫隔板及橋面板設計，增強結構整體性能以及抗扭和抗傾覆能力。

參考文獻

[1]徐輝. 特殊荷載橋梁設計體會——淺析錫林浩特特載跨線橋設計[J]. 城市道橋與防洪， 2013（5）： 90-91+14.

[2]張凡龍， 方宏， 汪步勝. 某特殊加固橋梁通行特載車輛的監測試驗研究[J]. 安徽建筑， 2020（7）： 179-180.

[3]張宏斌. 特載橋梁的主梁承載能力設計及試驗研究[J]. 北方交通， 2010（12）： 35-36.

[4]戴琦. 市政橋梁預制后張法簡支空心板與預制后張法簡支矮T梁設計比選分析[J]. 江西建材， 2023（10）： 147-148+151.

[5]中華人民共和國交通運輸部. 中華人民共和國交通行業公路橋涵通用圖[M]. 北京：人民交通出版社， 2008.

[6]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.