四川省大件荷载公路桥梁设计大件荷载计算要点

2022-11-09王崇汉

四川建筑 2022年5期

王崇汉，姜博

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017)

1 相关设计规范

随着现代化大工业的发展，化工、石油、冶金和电力等工业所用设备的体积和重量日益增大，一件设备重量可达几百吨，宽、高可6m左右，长可达几十米。这类大件设备在水路、铁路不能运输时，需要采用公路运输。

大件荷载等级的不断提升对沿线桥梁的承载能力是项非常严峻的考验，由于大件荷载较常规荷载对梁体产生的荷载效应明显提高，结构设计中除按常规荷载计算外，还应用大件荷载标准验算结构的承载能力和应力。然而在大件公路新建和改扩建桥梁设计时，设计人员只有参考JTJ021—89《公路桥涵设计通用规范》、JTJ023—85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中对于大件荷载的相关规定，现行桥梁规范缺少关于大件荷载的横向布置、持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态计算的相关要求。

笔者参与了四川省内多条大件公路的设计，根据笔者对大件公路桥梁计算的理解，并结合JTJ021—89《公路桥涵设计通用规范》、JTJ023—85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对大件荷载的相关规定，提出大件公路桥梁大件荷载满足现行规范JTGD60—2015《公路桥涵设计通用规范》、JTG3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、《四川省大件公路设计技术指标规定》(2006年)的计算要点，希望能给相关从业人员带来一些启发。

2 大件荷载横向布置

大件荷载的横向布置对桥梁结构的荷载效应非常明显，尤其偏载情况下，引起桥梁结构的扭转和畸变效应明显大于常规汽车荷载，然而目前仅有《四川省大件公路设计技术指标规定》(2009年6月)给出了大件荷载的平板车轮距布置图，未规定平板车车轮到护栏的距离，因此设计人员在进行大件荷载桥面横向布置的时候往往具有随意性。笔者经过调查后发现在大件荷载的横向布置方式主要有：

(1)大件运输时横桥向车辆运行在桥梁中部范围内，设计单位一般按对称布置。

(2)按照JTJ021—89《公路桥涵设计通用规范》平板挂车横向布置图，按车轮到护栏的净距为1.0m开始布置。

结合笔者的经验，布载方式一未考虑偏载情况，亦未考虑偏载引起的桥梁扭转效应，偏不安全；布载方式二考虑了偏载效应，亦有规范可查，是较为合理的布置方式。建议采用布载方式二进行桥梁计算分析。

3 大件荷载持久状况承载能力极限状态计算

在进行大件荷载作用基本组合中结构重要性系数取1.1，永久荷载的分项系数取1.2，大件荷载的分项系数按《四川省大件公路设计技术指标规定》(2009年6月)第十二条采用：对单体质量不大于290t的货物，验算时其荷载效应组合系数取1.4；对单体质量大于290t的货物，验算时其荷载效应组合系数取1.1，验算荷载不考虑冲击系数。

大件公路桥梁大件荷载持久状况承载能力极限状态正截面承载力、最小配筋率、受压区高度，斜截面承载力及构造尺寸应按JTG3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算。

4 大件荷载持久状况正常使用极限状态计算

对于构件正常使用极限状态设计，《四川省大件公路设计技术指标规定》(2009年6月)未对其进行规定，笔者认为对于预应力混凝土构件应进行应力验算，对于普通钢筋混凝土构件应进行裂缝宽度验算，其计算方法予以补充。

规范JTG3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》正截面抗裂验算按作用频遇组合，汽车荷载频遇系数取0.7，且汽车荷载不计冲击系数，计算公式6.3.1-1、公式6.3.1-2、公式6.3.1-3只适用于汽车荷载。大件荷载桥梁正常使用阶段验算时，汽车荷载频遇系数取1.0，直接采用规范公式进行验算，笔者觉得不妥，结合实际计算情况和笔者经验，大件荷载作为验算荷载，其构件正常使用极限状态设计可参照JTJ023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和国际预应力混凝土协会、欧洲混凝土协会可按下述原则计算：

4.1 全预应力构件

在全部使用荷载最不利组合作用下，受拉区混凝土不出现拉应力。荷载组合系数均为1.0。

(1)在全部使用荷载最不利组合作用下，预应力混凝土受弯构件受拉区混凝土的最大拉应力(扣除全部预应力损失)应满足：σhl≤0。

(2)在全部使用荷载最不利组合作用下，预应力混凝土受弯构件受压区混凝土的最大压应力(扣除全部预应力损失)应满足：σha≤0.6fck。

(3)在全部使用荷载最不利组合作用下，预应力混凝土受弯构件在计算混凝土主拉应力和主压应力时，应满足：σzl≤0.9ftk，σza≤0.65fck。

(4)在全部使用荷载最不利组合作用下，构件中预应力钢绞线的应力(扣除全部预应力损失)应满足：σy≤0.70fPk。

4.2 A类有限预应力构件

在全部使用荷载最不利组合作用下，混凝土允许出现拉应力，但不超过其弯拉强度；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力。荷载组合系数均为1.0。

(1)在全部使用荷载最不利组合作用下，预应力混凝土受弯构件受拉区混凝土的最大拉应力(扣除全部预应力损失)应满足：σhl≤0.9ftk。

(2)在全部使用荷载最不利组合作用下，预应力混凝土受弯构件受压区混凝土的最大压应力(扣除全部预应力损失)应满足：σha≤0.6fck。

(3)在全部使用荷载最不利组合作用下，预应力混凝土受弯构件在计算混凝土主拉应力和主压应力时，应满足：σzl≤0.9ftk，σza≤0.65fck。

(4)在全部使用荷载最不利组合作用下，构件中预应力钢铰线的应力(扣除全部预应力损失)应满足：σy≤0.70fPk。

4.3 钢筋混凝土构件

在全部荷载最不利组合作用下，构件混凝土允许出裂缝，但裂缝宽度不超过值(0.25mm)。荷载组合系数均为1.0。

对于装配式预应力混凝土简支T梁和装配式预应力混凝土简支小箱梁验算荷载可按A类有限预应力构件设计，其它特殊结构桥梁应按全预应力构件设计。

5 20 m预应力混凝土简支小箱梁计算示例

5.1 设计资料

桥面净空：0.5m(防撞护栏)+19.0m(桥面净宽)+0.5m(防撞护栏)。

设计荷载：公路—I级；验算荷载：尼古拉/水工窄系列29轴线4纵列车型。

设计安全等级：I级。

环境类别：I—B级。

环境的年平均相对湿度：80%。

5.2 材料规格

混凝土：预制小箱梁及梁间湿接缝采用C50混凝土。

钢筋：采用HPB300、HRB400钢筋。

预应力钢绞线：采用符合GB/T5224-2014《预应力混凝土用钢绞线》规定的低松弛高强度钢绞线，其抗拉强度标准值fpk=1860MPa。

5.3 小箱梁截面尺寸

(1)小箱梁横断面布置见图1。

(2)预制小箱梁立面尺寸见图2。

图1 小箱梁横断面(单位：cm)

图2 预制小箱梁立面(单位：cm)

(3)预制小箱梁截面尺寸见图3。

图3 预制小箱梁截面(单位：cm)

5.4 大件荷载计算成果

中梁、边梁预应力钢绞线8束5φs15.2mm，主筋采用HRB400钢筋直径16mm，共11根，箍筋采用HRB400直径12mm，两箍，梁端向跨径方向长397mm，箍筋间距10cm，其余箍筋间距15cm。

(1)横向分布计算：采用布载方式二，横向分配系数支点采用扛杆法，跨中采用刚接板梁法计算，中梁跨中mz=0.287，支点mc=0.46；边梁跨中mz=0.278，支点mc=0.292。

(2)持久状况正常使用极限状态正截面抗弯承载能力验算：边梁跨中弯矩γ0Md=7660kN·m,允许值Mud=9070kN·m，满足设计要求；中梁跨中弯矩γ0Md=7890kN·m,允许值Mud=9160kN·m，满足设计要求。

(3)持久状况正常使用极限状态斜截面抗剪承载能力验算：边梁支点剪力γ0Vd=1148kN,允许值Vcs+Vpb=2460kN，满足设计要求；中梁支点剪力γ0Vd=1229kN,允许值Vcs+Vpb=2460kN，满足设计要求。

(4)持久状况正常使用极限状态混凝土的最大拉应力验算：边梁跨中下缘应力σhl=-0.058MPa,允许值[σhl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，满足设计要求；中梁跨中下缘应力σhl=-0.495MPa,允许值[σhl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，满足设计要求。

(5)持久状况正常使用极限状态混凝土的最大压应力验算：边梁最大压应力σha=12.5MPa,允许值[σzl]=0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，满足设计要求；中梁最大压应力σha=12.3MPa,允许值[σha]=0.6fck=0.6×32.4=19.44MPa，满足设计要求。

(6)持久状况正常使用极限状态混凝土主压应力、主拉应力验算：边梁最大主压应力σza=12.5MPa,允许值[σza]=0.65fc=0.65×32.4=21.06MPa，最大主拉应力σzl=-0.513MPa,允许值[σzl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，满足设计要求；中梁最大主压应力σza=12.3MPa,允许值[σza]=0.65fc=0.65×32.4=21.06MPa，最大主拉应力σzl=-0.665MPa,允许值[σzl]=0.9ftk=0.9×2.65=-2.385MPa，满足设计要求。

(7)持久状况正常使用极限状态预应力钢筋的最大拉应力验算：边梁钢束最大拉应力1 150MPa,中梁钢束最大拉应力1 150MPa，允许值拉应力=0.70fpk=0.70×1860=1302MPa，满足设计要求。