某桥梁超限运输荷载计算分析

朱正，闫 恒，王安阳（中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100）

0 引言

随着社会经济的不断发展，超限运输在交通运输系统中日益成为普遍现象，同时也给公路桥梁带来安全隐患。在超限运输无法避免的情况下，从设计角度提前考虑超限荷载，提高桥梁承载能力，成为避免桥梁出现安全隐患的一种解决方案。

我公司总承包的非洲某水泥生产线项目，根据总包合同要求，需要设计和建造一座厂区内部永久性桥梁。桥梁竣工后，除作为燃料、辅料进出厂区的主要通道外，还要在建设阶段作为重型设备（如减速机、磨盘等）进场的通道。因此桥梁如期顺利完成设计施工，对按时完成磨机等关键设备运输进场，进而确保整个项目如期履约意义重大。本文简要介绍此桥梁设计过程，重点介绍超限运输荷载作用下的桥梁设计计算。

1 工程概况

项目位于非洲某水泥厂厂区内，桥面总宽度110m（80m双车道+两侧1.50m人行道）。桥梁跨过厂区内的一条季节性河流，不考虑通航。下游是业主建设的一座大坝。由于地处非洲地区，当地能收集到的水文资料非常有限，根据业主提供的大坝蓄水顶标高，对比上、下游已有相邻桥梁的净过水面积，结合季节性河流宽度，确定桥梁跨度为19×3=570m，两端标高根据连接道路的标高分别定为191.961m，193.597m，桥面纵向坡度为2.87%。根据项目工期要求、现有机具状况，确定桥面采用预制箱梁，主体承重结构为3×4=12根预应力单室单箱梁。桥梁纵、横剖面布置见图1，2。

图1 桥梁纵剖面布置图

图2 桥梁横剖面布置图

2 设计荷载

本项目桥梁各主要构件的设计，包括桥面预应力箱梁、桥墩/桥台等，控制荷载为汽车荷载。根据规范要求，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。桥梁计算的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加[1]。

由业主提供的车型图及交通量，确定本项目车道荷载按公路-I级标准，车辆荷载按超限运输荷载考虑。根据设备信息，设备自重（含包装）重量约为137t，运输车辆自重约为55t，总重量超过190t，远超规范中车辆荷载限值（总重约55 t）。设计中采用桥梁博士及Midas Civil两种软件，对上述车辆及车道荷载分别进行计算。

3 设计过程概要

3.1 桥面预应力箱梁设计

采用Midas Civil通用软件进行有限元分析，主要荷载如下：

第1类活载：车辆荷载，即超限运输荷载，根据车型图分解后见图3，按规范要求，单向布置。

图3 车辆荷载示意图

第2类活载：车道荷载，按公路-Ⅰ级标准，如图4所示，按规范要求，双向布置。

图4 车道荷载示意图

预应力箱梁的整体模型及箱梁截面见图5，6。

图5 预应力箱梁整体三维模型

箱梁计算中，首先根据结构在正常使用极限状态正截面抗裂性或裂缝宽度限值确定预应力钢筋的数量，普通钢筋按构造配置即满足要求。预应力钢筋采用φs15.2低松弛高强预应力钢绞线，公称面积140 mm2，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。经过试算，预应力钢筋选取为：上缘为4×7-φs15.2+2×6-φs15.2钢绞线；下缘为2×6-φs15.2钢绞线，普通钢筋按构造要求配置即满足要求。钢绞线布置见图7，8。

图6 箱梁截面尺寸

图7 钢束横向布置图

图8 钢束纵向布置图

对按试算结果配置预应力钢筋的箱梁，进行以下验算[2]：

（1）持久状况（使用阶段）结构极限承载能力的验算。

（2）持久状况（使用阶段）正常使用极限状态抗裂验算。

（3）持久状况（使用阶段）应力计算。

（4）短暂状况（施工阶段）应力验算。

各项承载力及抗裂验算结果表明，各项承载力及抗裂设计指标均满足规范要求。

同时根据规范要求，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响。箱梁主体采用C50混凝土，其挠度长期增长系数ηθ＝1.425，消除结构自重产生的长期挠度后，主梁的最大挠度不应超过计算跨径的1/600。表1所列为消除结构自重产生的挠度后，箱梁在使用阶段的挠度最大值，计算结果满足规范要求。

表1 极限状态挠度验算表

3.2 桥墩/桥台设计

初定各桥墩、桥台截面后，根据几何尺寸计算桥墩/桥台刚度。桥墩采用GJZ 300 mm×350 mm×85 mm板式橡胶支座，桥台采用GYZF4 300 mm×350 mm×87mm滑板式橡胶支座，考虑支座刚度后，最终得到桥墩、桥台的集成刚度分别为：

忽略桥梁两端墩台刚度的差异，上部结构温度变形零点为中跨中心，根据当地气象资料，按升降温度各25℃计算变形。成桥后，梁体的挠度变形、混凝土收缩、徐变等因素均为收缩状况，与降温状态相近，根据经验，相当于降温30℃，所以，本设计按照降温55℃计算变形及对墩台产生的影响。

降温55℃时，上部结构在桥墩处的变位为：

单个桥墩降温温度力：H1＝H2＝Δ1×K＝65.2 kN。

升温25℃时，上部结构在桥墩处的变位为：

单个桥墩升温温度力：H1＝H2＝Δ2×K＝29.6 kN

降温55℃时，上部结构在桥台处的变位为：

桥台降温温度力为：H0＝H3＝Δ3×K＝216 kN

升温25℃时，上部结构在桥台处的变位为：

桥台升温温度力为：H0＝H3＝Δ4×K＝98 kN

公路-1级车道荷载对应的单列行车产生制动力为：

全桥布载时：T=[（19+19+19）×10.5+298]×10%=69.7 kN，不小于165 kN，取165 kN。

单侧布载时：T=（19×10.5+298）×10%=49.7kN，不小于165 kN，取165 kN。

同向行驶两车道的汽车荷载制动力标准值为一个设计车道制动力标准值的2.0倍。即本桥按照两个车道荷载进行计算[1]。汽车制动力最大为Hz＝330 kN。各墩台水平力见表2，以其中各项计算结果作为基础数据输入桥梁博士软件进行建模分析。

桥墩/桥台设计的竖向荷载，同样考虑车辆荷载及车道荷载。

车辆荷载即超限运输荷载，采用Midas Civil软件，计算超限运输荷载作用下的盖梁及桥墩/桥台内力，之后提取支座反力，再输入桥梁博士软件，进行基础设计。

车道荷载按公路-Ⅰ级标准，使用桥梁博士软件，进行盖梁、桥墩/桥台及基础的全部设计计算。

表2 各桥墩/桥台水平力汇总表

4 结语

通过上述超限运输荷载的计算分析，本项目桥梁设计有效保障了重型设备通行的安全性。目前桥梁竣工一年有余，重型设备已顺利通过，桥梁运行状态良好，确保项目正常履约的同时，也赢得了业主的高度认可。本项目的设计计算，对其他大型工业项目有特定超限设备通行需求的厂区内桥梁设计，特别是存在检修需求，可能出现多次超限运输的桥梁设计，具有一定的参考和指导意义。