特种车辆荷载作用下桥梁结构内力验算

2022-05-11惠小磊张国强

科学技术创新 2022年13期

谢丹惠小磊张国强

（1、陕西西公院工程试验检测有限公司，陕西西安 710065 2、陕西交控市政路桥集团有限公司，陕西西安 710065 3、西安公路研究院有限公司，陕西西安 710065）

近年来，随着经济的发展，大型建筑需求不断增多，一些大型设备需要通过特种车辆过桥运输。但是由于设计荷载等级所限，原有城市桥梁已不能满足特种车辆过桥的需要；另外，现有桥梁确实存在一些隐患和问题，如早期修建的桥梁日益老化，承载能力明显下降，若特种车辆直接行驶在这些桥梁上，可能会引起桥梁的损坏甚至发生重大安全事故[1，2]。因此，对超限车辆通行路线的桥梁通过能力进行安全评估就显得格外重要。本文以某工业园区大桥为例，进行承载能力分析，对桥梁的结构安全性能进行评估，同时给出了超限车辆过桥的建议和措施。

1 工程概况

该桥建于2008 年，全长167m。上部结构采用8-20m预应力混凝土连续箱梁，两联，4 跨一联，单幅横向布置4片梁，单幅桥面宽度为0.5m（护栏）+11m（行车道）+0.5m（护栏）；下部结构为肋板式台，双柱墩，钻孔灌注桩基础；桥梁设计荷载等级为公路-Ⅰ级。该桥目前运营状况良好。

为运输特种设备，需两辆车货总重均为225 吨的特种车经过该大桥。为确保运输安全，验证特种车通过桥梁的可行性，对桥梁进行设计荷载验算和特种车辆荷载验算，对验算结果进行对比，从而确定特种车辆过桥时所产生的荷载效应是否满足设计荷载要求，并在理论验算结果表明特种车辆荷载效应满足原设计要求时提出安全的通行措施。桥梁检算主要从结构强度方面进行承载能力检测评定，理论承载能力评定考虑承载能力极限状态进行验算[3，4]。

2 桥梁结构验算方法

该大桥设计荷载为公路-Ⅰ级，车辆荷载横向布置图见图1；两辆特种车长均为60m，高5m，宽4.8m，纵向均为13 轴，车货总重均为225 吨，具体各轴重分配及布置见图1。

图1 特种车轴重横向分配

本次验算按照单梁计算，故需要计算出设计荷载和特种车辆荷载作用下最大横向分布系数的单梁位置，从而对最大横向分布系数的单梁在两种荷载作用下进行计算。其中设计荷载按公路-Ⅰ级横向中载、偏载两种情况计算，取横向分布系数最大者计；特种车按单车道一辆车横向居中布置计算。

如果设特种车在该单梁上产生的内力值为M（V）t；公路-Ⅰ级荷载在该单梁上产生的最大内力值为M（V）g；则当M（V）t/M（V）g≤1.3 时，该特种车通过K15+035 芦河大桥是可行的；则当M（V）t/M（V）g＞1.3 时，应进行极限承载能力验算，通过验算结果判定特种车通过该桥的可行性[5]。

根据有限元计算原理并通过计算机电算程序，采用刚接板梁法对该大桥按公路-Ⅰ级与特种车辆分别进行横向分布系数计算，具体结果如表1。

表1 横向分布系数

由以上数据可以看出设计荷载对1、4 号梁的横向分布系数最大，特种车辆对2、3 号梁的横向分布系数最大；故为保证特种车辆过桥安全，对2 号梁进行单梁计算。2号梁在设计荷载及特种车单独作用下横向分布系数取值分别为0.590、0.281。

考虑到特种车辆轴重特别大，分别对特种车辆车轮荷载和设计车轮荷载进行了局部验算，对验算结果进行对比以验证梁间板的承载能力是否满足特种车辆车轮荷载效应[6]。

3 主梁计算

3.1 计算模型的建立

根据有限元原理，上部结构采用计算机电算程序进行单梁计算，梁体所分担的荷载按横向分布系数计，纵向荷载分布由电算程序按规范规定自动计算设计荷载最不利状况，特种车辆荷载纵向分布根据跨中控制截面弯矩影响线取最不利布置。共划分80 个计算单元，结构计算模型离散图如图2 所示。

图2 单梁计算离散图

3.2 结构内力计算

在计算设计荷载作用下结构内力效应时计入汽车冲击系数[7]，在计算特种车辆荷载效应时，不计入汽车冲击系数，要求特种车辆过桥时严格按照规范要求以5Km/h的车速匀速通过。公路-Ⅰ级荷载、特种车1、特种车2 作用下主梁控制截面内力情况分别见表2、表3、表4。

表2 公路-Ⅰ级荷载作用下主梁控制截面内力

表3 特种车1 作用下主梁控制截面内力

表4 特种车2 作用下主梁控制截面内力

4 车轮荷载局部简算

板（湿接缝+两侧翼缘板）宽1.3m,厚0.2m(均值)。顺桥向La=19.2m,桥向Lb=1.3m，La/Lb=14.8，远大于2。按要求，行车道板为单向板，为安全计不考虑纵桥向弯矩、剪力的传递，取单位宽度按简支结构进行计算。

4.1 计算参数

计算弯矩时，计算跨径l=l0+t=1.5m；计算剪力时，计算跨径l=l0=1.3m。本次验算荷载为公路-Ⅰ级、特种车荷载。特种车按规范要求居中行驶。

公路-Ⅰ级荷载取后轴进行计算。汽车后轮的着地长度a2=0.2m，宽度b2=0.6m,后轴上的压力140KN，此时桥面板上的轮压区域为：a1=a2+2h=0.54m；b1=b2+2h=0.84m。特种车取后轴进行计算。汽车后轮的着地长度a2=0.2m，宽度b2=0.6m,后轴上的压力取最大值195KN，此时桥面板上的轮压区域为：a1=a2+2h=0.54m；b1=b2+2h=0.79m。

车轮在板跨中部时：a=a2+2h+l/3=0.94m＜2l/3=1m，应取1m；a’= a2+2h+t=0.74m。a(a’)＜d=1.4m，即有效分布宽度小于两后轴轮距，所以两后轴各自的有效分布宽度不发生重叠，故板内的车轮荷载为P/2=70KN。根据图4 所示，车辆居中行驶时，车轮在板端。则a=0.84＜d=1.55m，即有效分布宽度小于后轴轮距，所以后轴各自的有效分布宽度不发生重叠，故板内的车轮荷载为P/4=48.75KN。

4.2 验算结果分析

桥梁结构承载能力极限状态评定采用荷载效应比较分析法。首先，依据设计荷载得出桥梁主要控制截面内力组合值；然后，根据桥梁的设计资料及由质量调查获得的折减系数，计算出桥梁各构件承载能力极限状态下的抵抗力；最后，通过比较两者的大小来判断该桥承载能力极限状态能否满足要求，只有当荷载效应不利组合值小于或等于抵抗效应时，其承载能力满足设计要求。公路-Ⅰ级荷载按最不利位置布置，计算时考虑冲击系数的影响；特种车按图2 位置布置，计算时不考虑冲击系数。验算结果满足要求。

经过两种荷载进行横向分布与折减后对该桥2 号梁各截面的内力值折线图如图3、图4 所示。