重型特种车辆荷载作用下的桥梁设计

朱智宇,周 群

(广西路桥集团勘察设计有限公司,广西 南宁 530201)

0 引言

近年来,随着交通运输业的飞速发展,各行各业对大件物品的运输需求也越来越多,例如,特种军用装备、特种工业设备、特种风力电机等,这些特殊的大件在通过现有桥梁时,都需要对现有桥梁进行详细的结构验算,验算满足其承载要求后方可通行[1-3]。

一般的桥梁设计有成熟成套的规范遵循,但由于以往特种荷载车辆通行次数少,需求量有限,现行《城市桥梁设计规范》(CJJ11-2011)[7]中只列出了160 t、220 t、300 t、420 t 四种特种车辆荷载设计类型,且其轮距均为固定值。而实际大件运输中的特种车辆轮距与规范规定值并非完全一致,且单轮重及车辆总重往往超过规范所列最大值(420 t),除此之外,部分重型大件物品还需长期多次运输,种种原因使特种车辆荷载作用下的桥梁设计变得越来越复杂,需要设计者结合规范及自身经验进行专项设计[4-6]。

本文以沿海某风电主机特种运输通道设计为依托,对总重759 t的重型特种车辆荷载作用下的桥梁专项设计进行总结,分享设计经验,提出合理建议,为后续类似重型特种车辆作用下的桥梁设计提供参考与借鉴。

1 工程背景简介

该项目位于沿海某城市,为满足某海上风力发电设备厂运输海上风力电机(重量达759 t)要求而建,即将海上风力电机从设备厂运输至海港码头。经现场实地勘察,运输车必须途经一上构10×20 m的预应力混凝土简支空心板桥。经结构验算,现状桥梁无法满足重量达759 t海上风力电机的承载要求,根据规划红线,路线又必须从此现状桥梁通过,因此,该项目对该旧桥进行拆除重建。

重建桥梁中心里程为K0+213.0,在原桥位跨越河流,上河口宽约146 m,下河口宽度约118 m;北侧堤岸顶土路宽度约5.1～5.6 m,高程约5.5 m;南侧堤岸顶土路宽度约4 m,高程约5.9 m,桥址处地势较平缓,河流无通航要求。

2 桥型方案比选分析

根据海上风力发电设备厂提供的重型特种运输车参数,绘制其车辆轴载分布如图1所示。

由于该项目河流不通航,平均墩高<10 m。因此,从安全、适用、经济等角度出发,跨径考虑与旧桥一致,均采用20 m。

此外,通过对现状地形条件的勘察,结合现状旧桥的布跨,考虑重建桥梁与旧桥进行错孔布跨,调整后的桥跨布置为9×20 m。

上部结构形式则采用常用的预应力混凝土预制小箱梁与整体现浇箱梁两种结构类型进行方案比选,其详细的方案比选结果如表1所示。

表1 桥型方案比选分析表

由表1分析可知,预制小箱梁方案结构简单、受力明确、施工快捷且造价经济,是本项目理想的桥型方案。因此,本项目推荐采用简支(桥面连续)的预制小箱梁方案,下文将从安全角度出发,对结构进行进一步的验算与分析。

3 桥梁结构验算与分析

3.1 桥梁结构设计基本参数

该桥桥跨布置为9×20 m,桥面宽度为13 m,上部结构横向设4片主梁,梁高2 m,顶、底板厚0.3 m,腹板厚0.32 m,中梁宽度为2.4 m,边梁宽度为2.85 m,湿接缝宽0.833 m。其标准横断面如图2所示。

图2 预制小箱梁标准横断面图(m)

下部结构桥墩采用柱式墩,桩基础。每个桥墩设3根钻孔灌注桩,桩基直径为1.8 m,桩间距为4.55 m;墩柱直径1.6 m。

桥台均采用轻型桥台,桩基础。每个桥台设3根钻孔灌注桩,桩基直径为1.8 m,桩间距为4.55 m。

3.2 桥梁上部结构验算与分析

由于该桥特种车荷载不在规范列举之内,因此,为保证桥梁结构整体安全,上部结构采用整体梁格法进行结构验算与分析。通过Midas Civil软件建立结构整体有限元模型,由四片模拟纵梁、端中横梁及虚拟横梁组成,共计177个节点,202个梁单元,梁端位置则采用弹性支撑模拟支座约束,其整体有限元模型如图3所示。

图3 上部结构整体有限元模型图

规定一次仅过一辆特种车,严格按桥梁中心线进行行驶,自定义符合该桥重型特种运输车辆轴载分布的车辆荷载,采用影响线加载法,由程序自动按最不利荷载位置进行加载。

此外,《城市桥梁设计规范》对通行特种车辆的桥梁规定结构重要性系数取1.0,汽车荷载分项系数取1.1,考虑到该桥需要长期将海上风力电机从设备厂运输至码头,因此从安全及耐久角度出发,依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[8]相关条文,该桥结构重要性系数取1.1(重要结构),汽车荷载分项系数取1.8(车辆荷载分项系数)。

根据结构基频计算得冲击系数为0.05,按规范单车道加载横向分布系数取1.2,得桥梁上部结构抗弯、抗剪及抗裂等主要验算结果如图4～7所示。

图4 正截面抗弯验算结果示意图

图5 斜截面抗剪验算结果示意图

图6 正截面抗裂验算结果示意图

图7 斜截面抗裂验算结果曲线图

由图4～7分析可知,其上部结构抗弯、抗剪及抗裂验算等均满足规范设计要求,且内力及应力储备值均较大。

此外,结构在使用阶段的挠度在考虑长期效应的影响下,由汽车荷载(不计冲击力)产生的最大挠度为10.31 mm,小于计算跨径的1/600(33.33 mm),满足规范要求。因此,对于重型特种车辆荷载作用下的桥型选择,若无大跨度结构需求,可优先选择安全、经济且施工便利的装配式混凝土梁桥。

3.3 桥梁下部结构验算与分析

该桥下部结构桥墩采用三柱式矩形盖梁柱式墩,盖梁横向长度与桥面同宽,桥墩直径为1.6 m,柱间距4.55 m,盖梁纵向宽度为2.2 m,高度为1.8 m;墩台盖梁与柱按刚架计算,盖梁跨中部分跨高比为5≥l:h>2.5,按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)8.4.3-8.4.5进行承载力验算,采用横向移动荷载加载车道线方式进行模拟,横向车道线选取范围为特种车辆行进轨迹的宽度范围。

取最大墩高6.5 m,采用Midas Civil软件建立下部结构有限元模型,盖梁与墩柱刚接,墩底固结。共计40个节点,36个梁单元,其有限元模型如图8所示。

图8 下部结构有限元模型图

3.3.1 桥墩验算与分析

根据桥墩直径,从安全、经济及构造配筋角度出发,桥墩主筋采用HRB400钢筋,直径为32 mm,共42根,以保证桥墩抗压、抗裂等承载能力;箍筋采用HPB300钢筋,直径为10 mm,加密段间距为10 cm,非加密段间距为15 cm,加密段长度比常规预制小箱梁桥增加10%,以提高桥墩抗剪、抗裂等承载能力,主要验算结果如图9、图10所示。

图9 桥墩墩柱抗压验算结果曲线图

图10 桥墩墩柱抗裂验算结果曲线图

由图9分析可知,其桥墩抗压验算满足规范要求,且储备值较高。

由图10分析可知,桥墩抗裂验算虽满足规范要求,但储备值较低,因此,Ⅲ类-近海或海洋氯化物环境下的桥墩设计应以裂缝宽度为控制设计,且应在混凝土保护层厚度及构造配筋等设计上加强。

3.3.2 盖梁验算与分析

盖梁纵向宽度为2.2 m,高度为1.8 m,主筋采用HRB400钢筋(直径为28 mm,间距为12 cm),箍筋亦采用HRB400钢筋(直径为12 mm,间距为10 cm),为提高安全储备,验算桥墩时计入制动力(按特殊车辆运输时总重量的10%)影响。主要验算结果如图11～13所示。

图11 桥墩盖梁正截面抗弯验算结果曲线图

图12 桥墩盖梁斜截面抗剪验算结果曲线图

图13 桥墩盖梁抗裂验算结果曲线图

由图11～13分析可知,盖梁抗弯、抗剪及抗裂验算等均满足规范设计要求,且储备值均较大。可见,对于重型特种运输车辆桥梁,当桥梁较宽时,建议尽量按多墩柱设计。

4 结语

本文以沿海某风电主机特种运输通道设计为依托,对总重759 t的重型特种车辆荷载作用下的桥梁设计进行总结,其主要结论及建议如下:

(1)对于重型特种车辆荷载作用下的桥型选择,若无大跨度结构需求,从安全、经济及方便施工等角度出发,可优先选用预应力装配式混凝土梁桥。

(2)对于需长期承受重型特种车辆荷载作用的桥梁结构验算,从安全及耐久性角度出发,建议结构重要性系数取1.1,汽车荷载分项系数取1.8。

(3)对于Ⅲ类及Ⅲ类环境以上重型特种车辆荷载作用的桥梁,桥墩设计建议以裂缝宽度为控制设计,且尽量按多墩柱设计,并加强其构造设计。

(4)重型特种车辆过桥时,应严格按桥梁中心线行驶,不允许偏离规划行车轨迹。

(5)重型特种车辆过桥时,建议临时封闭全桥交通,严格要求一次只过一辆车。

(6)重型特种车辆过桥时,建议特种车辆行驶车速保持<10 km/h,且禁止刹车。