梁桥在特种车辆荷载下结构安全评估

黄海彬，廖海峰

梁桥在特种车辆荷载下结构安全评估

黄海彬1，廖海峰2

（1.宁波市城建设计研究院有限公司，浙江 宁波 315012；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010）

：以某跨度184.9 m的预应力混凝土分体箱梁桥为研究背景，在特种车辆荷载的作用下主要对现有桥梁结构安全性进行评估分析。结合工程实践，采用有限元软件Midas/civil 2018，分析了特种车辆荷载通行时，对桥梁承载力的影响。选择桥梁结构中主要的力学参数：正截面承载力、斜截面承载力、变形和应力进行了系列验算。研究结果表明，控制性截面的各种承载力可以满足特种车辆荷载通行要求，变形和应力符合要求。

特种车辆；有限元；结构安全；承载能力

随着国家经济的不断发展和电力设施需求量的加大，越来越多的电力设备大件运输变得日益频繁。这些运输超重大件设备的特种荷载车辆经常经过现役桥梁，评价现役桥梁的结构安全性就显得尤为重要。国内外学者进行了系列研究：杜丙金和张启伟[1]利用监测与计算的方法，分析了特种荷载对板梁桥结构性能的影响。徐昌[2]采用两类有限元软件计算了特种荷载在通行桥梁时产生的荷载效应。苏建丰和徐郁峰[3]对一座16m跨度的简支梁桥进行了安全评价，并通过试验的方法给出了评估结果。寇伟[4]采用横向分布系数法及其内插法，对混凝土桥梁的安全性进行了系列评价。杨阳[5]以加固后的铁路桥梁作为研究对象，分析了85t的特种车辆在通行时的安全性。基于此，本文为了研究特种车辆通行时对现有桥梁的影响，以大跨度连续梁桥作为研究对象，采用有限元软件来分析两种特种荷载车辆通行时桥梁结构性能以及结构抗力情况，为此类问题提供相应借鉴。

1 工程概况和特种车辆

某桥孔跨布置为35.1+35.2+35.1+35+35 m预应力混凝土分体箱梁，先简支后连续共一联，桥长184.9 m，横桥向布置3片梁。本桥平面位于=300 m的左偏圆曲线接A=144.914 m缓和曲线段再接直线段内，纵面位于=35000m的凹形竖曲线上及2.9684%的上坡上。下部构造根据墩高变化采用空心墩和方柱式墩，桥台为重力式U型桥台，基础为单排2根直径2 m的钻（挖）孔灌注桩。

该桥主要设计标准和计算特种荷载：（1）道路等级：二级公路；（2）桥面宽度：8.5m；（3）桥面宽度：净7.5m+2×0.5m（防撞护栏）；（4）计算荷载：特载车辆1和特载车辆2。

本文主要研究目的是验算在特载车辆作用下桥梁的承载能力是否满足通行要求。特载车辆主要分为：特载车辆1和特载车辆2两种，车辆荷载分别如图1和图2所示。

图1 特种车辆1

图2 特种车辆2

两类特种车辆荷载情况，见表1。

表1 两类特种车辆荷载分布表 t

2 计算参数选取和有限元建模

本文主要针对两种特种车辆荷载通行现有桥梁时的承载力性能进行评价，选择大型有限元软件Midas/civil 2018，构建有限元数值仿真模型。对构建的桥梁模型参数选择信息，见表2。主桥采用梁单元，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2018）进行验算，荷载组合按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）要求进行组合，对两类特种车辆荷载通行时进行主梁极限承载力计算。整体桥梁中将结构离散为223个节点，216个梁单元，如图3所示。

表2 桥梁主要建模参数及计算信息

图3 桥梁整体计算模型

3 荷载组合及效应

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2018）进行验算，荷载组合按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）要求进行组合，按各种组合最不利受力状态对结构的持久状况承载能力极限状态进行验算。根据该桥结构受力特点，选定控制截面5个，如图4所示，经过荷载组合后，各控制截面产生的荷载效应，见表3。

表3 各控制截面荷载效应

荷载组合Ⅰ：1.2恒载内力+1.8特载1+0.5支座沉降+1.05温度荷载；

荷载组合Ⅱ：1.2恒载内力+1.8特载2 +0.5支座沉降+1.05温度荷载。

图4 控制截面示意图

4 承载能力评估

4.1 正截面承载力验算

（1）2号和4号截面。承载能力极限状态内力组合中，2号和4号截面最大弯矩为34306 kN‧m。

2号和4号截面需按式(1)计算：

式中，为箱形截面梁在腹板两侧上下翼缘板的有效宽度，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2018）得：=7304 mm；sd=280 MPa；pd=1260 MPa；cd=22.4 MPa；p=560Í6=3360 mm2；s=πÍ(25/2)2Í234=114806 mm2；求得：=222 mm。

为防止出现超筋梁及脆性破坏，预应力混凝土梁的截面受压高度应满足JTG D62-2018的规定：

2号和4号截面正截面承载力满足要求。

4.2 斜截面承载力验算

1号、3号和5号截面剪力最大为9009 kN。根据式(3),(4)进行截面抗剪承载力验算即：

式中，0=1920 cm；=63 mm；0=-=1800-63=1737 mm；

截面尺寸满足要求。

1号、3号和5号截面抗剪承载力符合要求。

4.3 变形验算

根据规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）：预应力钢筋混凝土桥梁，以汽车荷载（不计冲击）计算的上部构造最大竖向挠度，不应超过相应允许值：允许值为1/600L，本桥最小跨径为35m，考虑各分项验算系数后，最大竖向挠度允许值为：

1/600 L×1.13×0.99×0.99×（1-0.06）=0.061m

各组合下挠度值见表4。

表4 截面承载力验算结果

荷载组合Ⅰ：1.0恒载内力+0.7特载1内力+1.0支座沉降+1.0系统温度+0.8温度梯度；

荷载组合Ⅱ：1.0恒载内力+0.7特载2内力+1.0支座沉降+1.0系统温度+0.8温度梯度。

变形验算满足要求。

4.4 应力验算

预应力混凝土梁在组合Ⅰ、组合Ⅱ作用下的应力分布图分别如图5和图6所示。

图5 组合Ⅰ作用下主梁应力分布图

图6 组合Ⅱ作用下主梁应力分布图

由图5和图6可知，主梁各部位均未出现拉应力，最大压应力为21.2 MPa。无需进行开裂及裂缝验算。

5 结论

（1）本文研究对象的各控制截面在两类荷载组合下产生的荷载效应，组合Ⅱ明显大于组合Ⅰ。

（2）控制性截面的2号和4号截面，最大抗弯承载力为57751 kN‧m大于特载作用下产生的最大弯矩34306 kN‧m，正截面承载力满足要求；对1号、3号和5号截面的斜截面抗剪而言，截面最大承载力10866 kN大于特载作用下产生的剪力最大为9009 kN，同时原有桥梁截面尺寸满足要求。

（3）截面在组合Ⅱ下产生的最大竖向挠度0.038 m，小于允许挠度0.061 m，变形验算满足要求；对于应力验算，主梁各部位均未出现拉应力，最大压应力为21.2 MPa。

（4）除此之外在特种车辆荷载通行时还要注意：特载车辆过桥时，应制定计划，做好充分准备工作；在通行关键路段时应避免交通高峰期；特载车辆应匀速，缓慢过桥。桥上行驶时，必须封闭，不允许有其它车辆通过；特载车辆必须沿桥面居中行驶，行驶时不允许有刹车、启动、变速等操作。

[1] 杜丙金，张启伟. 板梁桥在特种车辆荷载作用下的结构检测与评估[J]. 浙江交通职业技术学院学报，2007(02): 12-14.

[2] 徐昌. 大件运输车辆在普通设计荷载桥梁上的通过性研究[J]. 公路交通科技（应用技术版），2017,13(02):285-287.

[3] 苏建丰，徐郁峰. 既有桥梁通行特种车辆安全评估研究[J]. 中外公路，2013, 33(04): 230-233.

[4] 寇伟. 特种车辆通过现有旧混凝土桥梁时最大车重的分析研究[J]. 山西交通科技，2019(02): 52-54.

[5] 杨阳. 铁路专用线上跨公路桥桥梁加固施工技术研究[J]. 建筑安全，2018, 33(03): 23-25.

Structural safety assessment of beam bridge under special vehicle load

HUANG Hai-bin1，LIAO Hai-feng2

(1.Ningbo Urban Construction Design and Research Institute Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315012, China;2.Central and Southern China Municipal Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430010, China)

The prestressed concrete split box girder bridge with a span of 184.9 m as the research background, the structural safety of the existing bridge is evaluated and analyzed under the action of special vehicle load. Combined with engineering practice, the bearing capacity of existing bridges under special vehicle loads is analyzed by using finite element software Midas/civil 2018. A series of checking calculations are carried out on the normal section bearing capacity, oblique section bearing capacity, deformation and stress of the controlled section of the bridge. The results show that all kinds of bearing capacity of controlled section can meet the requirements of special vehicle load, and the deformation and stress meet the requirements.

special vehicle；finite element；structural safety；bearing capacity

U441+.2

A

1007-984X(2022)01-0052-04

2021-04-30

黄海彬（1982-），男，浙江宁波人，高级工程师，硕士，主要从事桥梁设计研究，405428753@qq.com。