特种重载车辆荷载下的钢便桥设计

于雪晖，张 妍

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭 州 3 10006；2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭 州 3 10006）

特种重载车辆荷载下的钢便桥设计

于雪晖1，张 妍2

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭 州 3 10006；2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭 州 3 10006）

大型设备的运输往往采用特种重载车辆，某工程实例车辆荷载标准达到总重526 t、轴重34 t，采用了新建临时便桥的通行方案。临时便桥上部结构主要采用321型标准钢桁梁，下部结构主要采用钢管桩基础。通过对在特种重载车辆荷载下的钢便桥设计方案的介绍，可为设计人员在类似桥梁设计时作为参考。

特种重载车辆；标准钢桁梁；钢便桥；大型设备运输

1 工程概况

某±800 kV特高压直流输电工程换流站位于浙江省绍兴市境内，该工程有一批大型换流设备需经过当地某县道运输，经过路段需跨越两处河道，主要结构物有某村大桥和某村二桥。现状县道桥梁的设计标准较低且存在不同程度的桥梁病害，不能满足该工程特种车辆的通行要求。

根据换流站工程总体施工组织的安排，大型设备运输线路保证工程的工期比较紧张，对原有桥梁的加固修复工程施工工期难以满足运输时间的要求。经综合比选研究，该工程采用了在现状桥梁外侧新建临时便桥的方案。

2 车辆荷载标准

该工程过境车辆为三超（超重、超长、超宽）车辆，平板车自重700 kN（平板车为14轴，轴距1.5 m，每轴8个车轮），汽运组合的运件总重5 260 kN，组合运件长31.8 m（其中主牵引车1辆，平板车1辆），平板车单轴轴重340 kN，车宽4.9 m，组合总高度6.22 m，单轴横向布置12轮，最小转弯半径16.3 m。运输时间为2 a左右。图1为特种车辆荷载纵向布置图。

该车辆总荷载大，达到526 t，单轴轴重也大，达到34 t，对结构物的承载能力要求极高。图2为特种车辆荷载横向布置图。

图1 特种车辆荷载纵向布置图（单位：kN，cm）

图2 特种车辆荷载横向布置图（单位：cm）

3 桥梁设计概况

由于该工程的运输使用期为2 a，且2 a后考虑拆除回收，因此在设计方案选择时考虑采用装配式钢结构桥梁，既可以满足结构承载的需要，又便于后期拆除回收，总体经济性较好，而且施工安装方便，有利于节省工期，确保及时完工服务于特种车辆的运输通行。因此桥梁上部结构主要采用了321型标准钢桁梁结构[1]。

根据该工程的特种车辆荷载标准，经过计算比选，321型标准钢桁梁上部结构选择9 m跨径，型钢梁上部结构选择5 m跨径。

根据跨越河道宽度以及桥头引道长度的需要，凰桐一桥跨径布置为（5+12×9+3+4×9+3+5× 9+3×5）m，全长215 m。凰桐二桥跨径布置为（5+4×9+5）m，全长46 m。其中9 m跨径上部结构采用321型标准钢桁梁结构，5 m跨径上部结构采用型钢梁结构，3 m跨径上部结构也采用321型标准钢桁梁配合制动墩设计[2]。

根据特种车辆横向宽度要求，该工程桥面宽度设计采用7 m。321型标准钢桁梁和型钢梁上部结构横向均采用16片主梁组拼设计。图3为桥梁标准横断面。

图3 桥梁标准横断面（单位：cm）

根据特种车辆横向宽度要求，该工程桥面宽度设计采用7 m。根据横向均匀分布受力的需要[3，4]，321型标准钢桁梁和型钢梁上部结构横向均采用16片主梁组拼设计。

根据桥位处地质勘察报告，凰桐一桥桥位处基岩埋深约25 m，其上依次覆盖有约2 m杂填土层，约8 m淤泥软土，约15 m含黏性土砾石层，因此下部结构采用钢管桩基础，每个桥墩采用3根直径800 mm钢管桩，便于后期拆除回收以降低工程投资。凰桐一桥桥位处基岩埋深较浅，平均5 m左右，因此采用直径1.0 m钢筋混凝土钻孔灌注桩设计。

4 钢桁梁上部结构设计

4.1 主桁梁

主桁梁采用321型标准钢桁梁拼装，钢桁梁每节长3 m，高1.5 m，构件材料为16 Mn，全桥横桥向共设置16片钢桁梁，横向间距均匀布置为45 cm，两片钢桁梁横向采用支撑花架连接组成一组，每两组间采用8 cm高槽型钢X撑连接。每片桁架在支座处设横向限位挡块。

4.2 横梁

为了防止在钎焊加热途中硬质合金及基体金属被氧化，同时为了避免母材中某些合金元素的挥发而降低材料性能，真空度选择不宜过高，一般为5×10-2 Pa以上[3]。本文选用CuMnCo钎料，要求真空度同样不宜过高，以避免钎料组分过多的挥发。结合所使用钎焊设备、母材和钎料的特性，确定钎焊工艺的冷态真空度在7×10-3 Pa以上，热态真空度在5×10-2 Pa以上。加热的速度确定在11 ℃/min。

横梁采用Ⅰ22b热轧普通工字钢，每根长度为7.5 m，横梁下部与桁梁上弦杆采用抱箍固定，上部与桥面板纵梁采用焊接固定，横梁在纵桥向每隔约70.5 cm布设一根，对应于钢桁梁的竖杆或斜杆交叉点处设置。

4.3 桁梁销、保险销

相邻桁梁的连接采用桁梁销，桁梁销上销锥端有一小孔，供插保险销用，另一端面上有一凹槽，其方向与保险销孔相同。桁梁销材料为30 CrMnSi，直径为49.5 mm。保险销为一小钢片卷成，插入桁梁销小孔内，防止桁梁销松落。

4.4 支撑架螺栓

支撑架螺栓用于固定支撑架与桁梁之间的连接，与支撑架配套使用，每根支撑架匹配四根撑架螺栓。

4.5 纵梁及桥面板

纵梁及桥面板，采用Ⅰ12.6工字钢+10 mm厚花纹钢板，与横梁之间采用抱箍固定。

5 型钢梁上部结构设计

型钢主梁采用Ⅰ50 c型热轧工字钢[5]，全桥横桥向共设置16根，横向间距均匀布置为45 cm，其上通过与Ⅰ22b横梁焊接形成整体。每片型钢主梁在桥墩支座处设横向限位挡块，在桥台处与桥台盖梁焊接。图4为型钢梁上部结构标准横断面。

图4 型钢梁上部结构标准横断面（单位：cm）

横梁、纵梁及桥面板构造同钢桁梁上部结构。

6 钢管桩下部结构设计

凰桐一桥下部结构采用钢管桩基础，9 m跨径贝雷梁下部采用3根800 mm钢管桩基础，采用打入桩设计，有效桩长22 m左右。位于河道内的较高墩钢管桩壁厚采用14 mm，其余桥墩钢管桩壁厚采用10 mm；5 m跨径型钢梁下部桥墩及桥台采用3根800×10 mm钢管桩。地面线以上钢管桩间设置平联钢管和剪刀撑，形成整体受力。钢管桩及平联、剪刀撑均采用Q235B钢材。

立柱上方设钢盖梁连接上下部结构，9 m跨径钢桁梁盖梁采用HN700×300窄型H型钢组拼形成，5 m跨径型钢梁盖梁采用HN600×200窄型H型钢组拼形成。盖梁的组拼采用焊接组拼，采用坡口熔透焊，并根据有限元局部分析计算[6]布置竖向加劲肋增加盖梁的局部受压稳定性。钢盖梁均采用Q345B钢材。

7 钻孔灌注桩下部结构设计

凰桐二桥桥位处基岩埋深较浅，钢管桩打入微风化岩层的施工难度较大，因此下部结构采用柱式墩、柱式台，基础采用3根1.0 m C30钢筋混凝土钻孔灌注桩基础。二桥钢盖梁设计与一桥相同。

8 针对特种重载的特殊设计

该工程过境车辆为三超（超重、超长、超宽）特种车辆。该车辆总荷载526 t，单轴轴重34 t。针对这种特种重载车辆，普通公路桥梁和临时栈桥的设计经验均不再适用，桥梁上下部结构以及桥面系均需要特殊考虑。

针对通行车辆的宽度和车轮横向布置形式以及单轴的载重量，上部结构标准钢桁梁和型钢梁均采用了横向16片、间距45 cm的设计，直接减小每片主梁的车辆荷载值，确保了主梁的受力满足使用要求。横向分配梁全部对应于钢桁梁的竖杆或斜杆交叉点处设置，由于轴重导致连接处受力较大，为桁架受力模式防止杆件受弯失稳，把传力点全部集中在节点上。桥面系采用Ⅰ12.6工字钢+10 mm厚花纹钢板，其中Ⅰ12.6工字钢间距22.5 cm密铺布置，一方面可与主梁间距一一对应，同时由于间距较小可以确保花纹钢板在车轮面压力作用下产生较大变形。

下部桥墩立柱的布置，充分考虑了车辆横向宽度和车轮布置情况，本车辆为3纵列14轴平板车，由于车辆通行缓慢且有专人指挥引导，车辆可基本对中运行。此时，三个纵列与立柱位置基本对应，可确保结构传力基本明确，避免盖梁受力过大。另外，由于本车辆高度超过6.2 m，且标准桁梁桥受荷后挠度较大，车辆运行过程可能存在较大的横向摇摆，设计时参考了铁路桥涵设计时的列车横向摇摆力，作为该桥的附加荷载，确保下部结构横向强度和稳定性。

9 结构计算

结构计算模型假定：由于装配式桁梁插销间隙的存在，温度应力一般可自行释放，因此所有桁梁桥均偏保守地按单跨简支结构考虑。桁梁桥和型钢梁桥横向均采用16片主梁，根据车辆车轮的横向布置情况及横向联系，桁梁桥考虑12片主梁参与车辆荷载载受力，型钢梁桥考虑10片主梁参与车辆荷载受力。

该工程结构验算利用MIDAS-Civil软件进行有限元分析。图5为有限元结构分析模型。

图5 有限元结构分析模型

结构验算时，对标准钢桁梁进行容许承载力验算，对型钢主梁、横向分配梁、桥面系进行抗弯强度、受弯构件整体稳定性的验算；对下部结构钢盖梁进行抗弯强度、受弯构件整体稳定性的验算，对钢管桩（含立柱）按压弯构件进行强度和稳定性验算，对混凝土钻孔灌注桩按压弯构件进行强度和裂缝宽度的验算，对桩基础同时进行竖向承载力验算；对所有钢结构焊缝等连接构造进行局部验算。经计算分析，各构件及连接构造受力均满足规范要求。

10 结 语

随着国家经济建设的发展，工业生产能力的急剧提升，大型设备整体制造后运输的需求也越来越大。这些大型设备的运输往往都是三超（超重、超长、超宽）车辆，对运输线路沿途的结构物造成不同程度的影响。根据实际情况，可采用运输路线上原有桥梁加固、拆除原有桥梁后重建等通行方案。本文提出的新建临时装配式便桥通行方案亦可作为比选，特别是在工期紧张的情况下有一定优势，考虑到后期拆除回收仍有一定的经济性。本文通过对在特种重载车辆荷载下的钢便桥设计方案的介绍，也可提供设计人员在类似桥梁设计时作为参考。

[1]黄绍金，刘陌生.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]郭王振.浅谈跨江钢便桥的施工技术 [J].城市建设理论研究，2015(18)：23-26.

[3]徐栋等.混凝土桥梁结构实用精细化分析与配筋设计 [M].北京：人民交通出版社，2013.

[4]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2010.

[6]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

U442.5

B

1009-7716（2017）01-0083-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.023

2016-10-17

于雪晖（1984-），男，浙江绍兴人，硕士，工程师，从事桥梁结构设计工作。