大件运输车载下连续刚构桥结构验算

李克然

（大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116024）

1 项目概况

1.1 桥梁结构

验算桥梁为预应力混凝土变截面三跨连续刚构桥，跨径布置为（85+150+85）m，横断面布置为1.25 m人行道+9.5 m车行道+1.25 m人行道=12 m。0号段支点处高度为9.065 m，合拢段和边跨现浇段梁高均为3.465 m，其余梁段底板下缘按1.8次抛物线渐变，箱梁底板厚度亦按1.8次抛物线变化。顶板设双向2%的横坡，底板水平。

上部结构主梁为箱形单箱单室断面，采用C55混凝土浇筑。顶板宽度12 m，底板宽度6.5 m。箱梁顶板最小厚度 30 cm，腹板厚度 50～70 cm，底板厚度 32～95 cm；边跨现浇段端横梁处顶、底板加厚至70 cm；墩顶的0号梁段腹板厚度100 cm，底板厚度150 cm；0号梁段顺桥向长度11.0 m，合拢段长度2 m，边跨现浇段长度8.9 m。上部箱梁共设4道横隔板：0号梁段各设2道厚度为1.8 m的横隔板，与桥墩壁厚一致；边跨现浇段端部各设1道厚度为2 m的横隔板。另外在中跨跨中附近梁段设有7道0.35 m×0.6 m的底板横肋。为适应挂篮悬浇的施工工艺，全桥箱梁共分为2个0号梁段、4×19个悬浇梁段、2个边跨现浇梁段及3个合拢梁段。主梁典型断面及立面结构见图1、图2示。

图1 主梁典型断面图（单位：cm）

图2 桥梁立面结构图（单位：m）

桥梁下部结构主墩采用C50混凝土，墩身为圆端形截面双薄壁墩，两片薄壁墩柱顺桥向的净距为440 cm，桥墩顺桥向厚度180 cm，横桥向圆端形截面处宽度980 cm，矩形截面处800 cm。墩身伸入主梁0号梁段，形成箱梁的横隔板。各桥墩均设6根直径2.5 m的钻孔灌注桩。承台采用C35水下混凝土，桩基采用C30水下混凝土。分联墩主梁支撑处支座采用盆式橡胶钢支座。

1.2 验算荷载

a）永久荷载 包括结构自重、二期恒载及预应力。

b）特种车辆荷载 特载车辆的轴载分布如图3示。箱梁结构整体验算及局部验算时，按具体轴载进行荷载布置；桥面板计算时考虑冲击系数0.3。

图3 特载车辆轴载分布图（单位：m）

2 结构验算要点及模型建立

2.1 结构验算要点

a）整体计算按预应力混凝土A类构件验算。

b）桥面板计算不考虑桥面铺装混凝土层与截面的组合作用。

c）桥面板和横梁计算均按车轮横向最不利工况加载。

d）计算中不考虑结构整体升、降温和温度梯度作用。

e）计算中按结构设计状态下，根据桥梁使用年限，考虑结构收缩徐变影响，未考虑施工缺陷及运营对结构的损伤。

f）特载车通过时，除特载车辆外未考虑其他活荷载。

2.2 荷载组合

a）承载能力验算 1.2恒载+1.0预应力+1.0混凝土收缩徐变+1.1特载车辆荷载。

b）抗裂验算 1.0恒载+1.0预应力+1.0混凝土收缩徐变+1.0特载车辆荷载。

2.3 应力控制标准

a）正截 面抗裂验算 σst-σpc≤0.7ftk，σlt-σpc≤0；

b）斜截面抗裂验算 σtp≤0.5ftk；

c）使用阶段混凝土正截面压应力 σkc-σpt≤0.50fck；

d）使用阶段混凝土主压应力 σcp≤0.6fck；

e）应力验算结果中，“+”为拉应力，“-”为压应力。

2.4 建立模型

采用Midas Civil软件，建立桥梁的三维模型。模型中的主梁、主墩、承台、桩基等均采用梁单元模拟，支座采用一般支撑模拟，共划分了591个节点，740个单元。结构有限元模型见图4示。

图4 结构有限元模型图

3 验算结果

3.1 主梁整体受力验算

3.1.1 主梁承载能力验算

图5为主梁正截面抗弯承载力包络图，图6为主梁斜截面抗剪承载力包络图。图中分别给出了按承载能力极限状态组合的弯矩设计值、剪力设计值和极限弯矩值、极限剪力值。从图中可以看出，所有截面的极限承载力均满足规范要求。

图5 主梁正截面抗弯承载能力包络图（单位：kN·m）

图6 主梁斜截面抗剪承载能力包络图（单位：kN）

3.1.2 主梁抗裂验算

频遇组合下截面上下缘均未出现拉应力，满足规范要求。

频遇组合下截面主拉应力为0.9 MPa＜0.5ftk=0.5×2.74=1.37 MPa，满足规范要求。

3.1.3 主梁挠度验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第6.5.3条的规定，在汽车荷载作用下竖向挠度中跨应不大于L/600=0.25 m，边跨应不大于L/600=0.142 m。特载车辆作用下主梁中跨最大挠度为0.130 m，边跨最大挠度为0.065 m，均满足规范要求。

3.1.4 预应力混凝土构件应力验算

标准组合下截面上下缘混凝土最大正应力12.6 MPa＜0.5fck=0.5×35.5=17.75 MPa，满足规范要求。

标准组合下截面混凝土主压应力13.4 MPa＜0.6fck=0.6×35.5=21.3 MPa，满足规范要求。

3.2 端横梁验算

表1为端横梁最不利截面承载能力比较结果。计算结果表明，横梁控制截面的抗弯承载能力和抗剪承载能力均大于计算值，满足规范要求。

表1 横梁验算结果

3.3 桥面板验算

3.3.1 验算断面

图7 验算断面（单位：cm）

由于主梁截面悬臂较长，最外侧车轮有可能作用于悬臂位置，因此在桥面板验算时，需验算悬臂板。桥面板需验算跨中截面A-A、支点截面B-B及悬臂截面C-C。

特载车轮轴距为1.55 m，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）第4.2.3条关于车轮荷载分布宽度的计算规定，单轴荷载作用下桥面板的分布宽度取1.55 m，计算结果为1.0 m板宽计算结果。

3.3.2 计算结果

表2为桥面板控制截面的弯矩、剪力最大计算值与其承载能力比较计算结果，计算结果表明，桥面板各控制截面的承载能力均满足规范要求。

表2 桥面板验算结果

3.4 支座反力验算

表3为连续刚构桥大小里程两侧端横梁支座反力计算结果。计算结果表明，在特载车辆作用下，支座承载力满足规范要求。

表3 支座反力验算结果 kN

3.5 主墩验算

参照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89）第2.3.9条第一项，汽车荷载产生的制动力，为布置在荷载长度内的一行汽车车队总重力的10%，但不得小于一辆重车的30%.参照上述规定，在294.2 t特载车辆荷载作用下，按总车重的30%取值汽车制动力即为88.3 t水平力对桥梁下部结构进行验算。

3.5.1 承载力验算

表4为主墩最不利截面承载能力比较结果。计算结果表明，主墩的承载能力大于计算值，满足规范要求。

表4 主墩轴力及弯矩承载力验算结果

3.5.2 抗剪验算

表5为主墩最不利截面抗剪承载力比较结果。计算结果表明，主墩的抗剪承载力大于计算值，满足规范要求。

表5 主墩抗剪承载力验算结果 kN

3.6 桩基验算

表6为桩基最不利截面承载能力比较结果。计算结果表明，桩基的承载能力大于计算值，满足规范要求。

表6 桩基验算结果

4 结语

经过计算，桥梁在大件运输车辆通行过程中，结构受力满足规范要求，允许通行，但同时尚应满足以下通行要求：

a）严格按照提供的验算轴载进行装载。

b）要求特载车辆严格按桥梁中线行驶，平稳匀速慢行，行驶速度不大于5 km/h。

c）车辆在桥上行驶时严禁急刹车和急提速[1]。

d）在特载车辆通过时，桥上严禁其他车辆和人群通行。

e）在特载车辆通过时，应有专人在现场负责指挥。

本文以某座连续刚构桥通行大件运输车辆需进行结构验算为工程背景，通过有限元分析软件建立全桥结构模型，结合现行桥梁规范中的有关规定和要求，分析受力体系，明确计算方法，对桥梁整体受力及各局部受力构件进行了计算分析，并对特种车辆通行过程作出明确要求，以期为同类型桥梁通行大件运输车辆时的结构计算提供参考[2]。