特种荷载通过既有城市桥梁的安全性评估_冯嘉炜.pdf

标准与检测31第1 期（总第261 期）特种荷载通过既有城市桥梁的安全性评估冯嘉炜（福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 福州 350108）摘 要 以某超大件设备运输项目需通过的420m预应力混凝土简支空心板梁桥为研究对象，分析了既有桥梁在超重特种车辆荷载通过时，对桥梁结构安全性的影响。基于有限元软件建模及结构力学的相关知识，结合桥梁外观、实体检测结果，分析了桥梁通过特种车辆荷载的可行性。结合工程实践，提出了保障安全运输的建议。关键词 城市桥梁；特种荷载；验算；有限元0 引言随着我国经济发展和工业化水平不断提升，超重、超大件设备运输变得越来越常见。既有桥梁设计时普遍不会考虑特种荷载通行，受桥梁设计荷载等级所限，既有桥梁并不能百分百满足特种荷载通过需求1。为保证特种荷载顺利通过桥梁，对桥梁进行安全性验算十分必要。结合某超大件设备运输项目工程实践，使用有限元软件分析结构承载能力，验算桥梁的结构安全性能，并给出特种荷载通过桥梁的具体建议，为此类工程提供参考与借鉴。1 工程概况某特种设备运输项目需通过1座跨径布置为420m的预应力混凝土简支空心板梁桥，该桥建于2015年，桥面横向布置为3.125m（人行道）+16.000m（机动车道）+3.125m（人行道）=22.500m，机动车道中线处存在简易岗亭及可拆卸护栏；上部结构每跨17片预制空心板，板厚95.0cm，中板顶宽124.0cm，边板顶宽174.5cm，均为A类预应力构件；下部采用重力式桥台、盖梁柱式桥墩，基础采用冲孔灌注桩；设计荷载为城-A级（城市桥梁设计规范 CJJ 112011），人群荷载3.8kN/m2。该项目使用长26.6m、宽4.38m的20轴特种车辆进行运输，运送目标与特种车辆总重383t（未计牵引车头），特种车辆轴距及荷载布置见图1。为保证运输项目顺利进行，需对特种车辆通过桥梁的安全性进行验算，并为运输车辆安全通过桥梁提出建议。191.5kN1轴2轴3轴18轴19轴20轴191.5kN191.5kN191.5kN191.5kN191.5kN1.4m1.4m1.4m1.4m1.4m19=26.6m1/4总重1/4总重1/4总重1/4总重1.45m1.48m1.45m4.38m1.4m15（a）纵向轴距及轴重191.5kN1轴2轴3轴18轴19轴20轴191.5kN191.5kN191.5kN191.5kN191.5kN1.4m1.4m1.4m1.4m1.4m19=26.6m1/4总重1/4总重1/4总重1/4总重1.45m1.48m1.45m4.38m（b）横向轴距及轴重图1 特种车辆轴距及荷载布置2 分析思路及步骤根据目标桥梁设计资料与实际情况，选用 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （JTG D622004）、城市桥梁检测与评定技术规范 （CJJ/T 2332015）、公路桥涵设计通用规范 （JTG D602004）进行验算，其中JTG D602004与JTG D622004为原设计资料中涉及的规范。依据上述规范，主要考虑结构强度对桥梁承载能力进行评定，具体方法为进行桥梁承载能力极限状态验算。CJJ/T 2332015第5.1.6条钢筋混凝土桥梁承载能力极限状态评定计算公式为：0S R（fm，am，fad）式中：0为结构重要性系数；S为作用效应在承载能力极限状态作用组合下的值；R为结构抗力函数；fm、am、fad分别为材料性能实测值、结构或构件几何参数实测值、结构或构件不利影响附加值2。作者简介：冯嘉炜（1995），男，本科，助理工程师，从事桥梁检测工作。标准与检测2023 年32依据此公式，桥梁承载能力极限状态评定按以下步骤依次进行：（1）对目标桥梁进行外观、实体检查，对比现状桥梁与原设计材料、结构、几何参数上的区别。（2）根据桥梁设计资料和外观、实体检查结果，在有限元软件中建立包含桥梁实际状况（损伤状况、约束条件等）的模型，或对原设计模型进行实际状况修正。（3）根据外观、实体检查结果确定结构或构件不利影响折减数值，并带入有限元模型。（4）依照JTG D602004对特种车辆荷载及其他效应进行组合，按各种组合中最不利状况进行桥梁承载能力极限状态验算。（5）通过比较作用效应与抗力之间的关系来评定桥梁承载能力极限状态是否满足特种车辆荷载通行要求。3 桥梁结构检算3.1 有限元模型及荷载布置目标桥梁上部结构为17片简支空心板，使用有限元软件Midas Civil建立与上部结构等效的梁格法模型，模型示意图见图2。模型具体参数选择：空心板及铰缝混凝土强度C50；设计车道数4车道；计算跨径19.26m；钢筋直径12mm的采用HRB400热轧带肋钢，钢筋直径12mm的采用HPB300钢；预应力钢筋为低松弛高强度预应力钢绞线，公称直径d=15.2mm，弹性模量Ep=1.95105MPa，抗拉强度标准值 fpk=1860MPa；特种车辆荷载沿桥梁中线布置，不考虑偏载；结构重要性系数依设计资料取1.0。图2 梁格法模型示意图现场外观检查发现，桥面存在与图纸不符的改造，主要有：车行道存在2道橡胶减速带，桥面中部存在1处简易岗亭；上部结构主梁底板混凝土存在少量掉角，总面积0.03m2；支座钢垫板均存在锈斑。实体检查发现，现场材料及构造均与设计资料相符。结果表明，目标桥梁现状良好，无对结构造成重要影响的缺损，材料满足原设计要求，结构、几何参数未见明显变化，故不利影响折减值取1.0（不折减）。因该桥梁片较多，故分析时只列出具有代表性的1#9#梁计算结果。3.2 荷载组合根据JTG D602004对桥梁进行荷载组合，取其中最不利状况的组合进行后续验算。因特种车辆经过桥梁时仅沿机动车道中线缓慢匀速行驶，故荷载组合时不考虑冲击效应对移动荷载的影响3。经有限元模型分析，最不利荷载组合为：（1）荷载组合（基本）：1.2恒荷载+1.2钢束效应+1.0收缩效应+1.0徐变效应+1.4特种车辆荷载+0.5支座沉降+1.12温度效应。（2）荷载组合（短期）：1.0恒荷载+1.0钢束效应+1.0收缩效应+1.0徐变效应+0.7特种车辆荷载+1.0支座沉降+0.8温度效应。（3）荷载组合（长期）：1.0恒荷载+1.0钢束效应+1.0收缩效应+1.0徐变效应+0.4特种车辆荷载+1.0支座沉降+0.8温度效应。其中，荷载组合用于截面承载力验算，荷载组合、荷载组合用于截面抗裂验算。3.3 正截面抗弯验算在进行正截面抗弯验算时，简支梁跨中截面弯矩效应为其主要控制值。通过有限元模型计算最不利荷载组合（荷载组合）下各梁片跨中截面弯矩最大值，与模型中该截面抗弯承载力对比，即可确定构件是否满足正截面抗弯承载力要求。荷载组合下梁片跨中截面弯矩值与该截面下的抗弯承载力对比结果见表1。表1 正截面抗弯验算结果梁片编号截面弯矩值Mu/（kNm）截面抗力值Mn/（kNm）0Mu/Mn1#梁1753.00292921.44670.6000 2#梁1353.82022337.97960.5791 3#梁1400.89502337.97960.5992 4#梁1454.10662337.97960.6220 5#梁1510.56642337.97960.6461 6#梁1564.93542337.97960.6694 7#梁1615.60682337.97960.6910 8#梁1647.39522337.97960.7046 9#梁1657.71342337.97960.7090 按照CJJ/T 2332015第5.1.6条0SR验算，结构的重要性系数与作用效应组合乘积0Mu与构件抗弯承载力设计值Mn比值在0.57910.7090之间，均1，正截面抗弯承载力满足规范要求。3.4 斜截面抗剪验算标准与检测33第1 期（总第261 期）在进行斜截面抗剪验算时，简支梁距支点中心h/2处斜截面剪力效应为其主要控制值。通过有限元模型计算最不利荷载组合（荷载组合）下各梁片支点斜截面剪力最大值，与模型中该截面抗剪承载力对比，即可确定构件是否满足斜截面抗剪承载力要求。荷载组合下梁片支点斜截面抗剪与该截面下的抗弯承载力对比结果见表2。表2 斜截面抗剪算结果梁片编号 截面剪力值Vu/kN 截面抗力值Vn/kN0Vu/Vn1#梁275.24291319.28690.2086 2#梁221.94871319.28690.1682 3#梁228.95621319.28690.1735 4#梁240.76851319.28690.1825 5#梁255.43761319.28690.1936 6#梁275.63321319.28690.2089 7#梁325.98701156.50190.2819 8#梁345.58071156.50190.2988 9#梁348.12581156.50190.3010 按照CJJ/T 2332015第5.1.6条0SR验算，结构的重要性系数与作用效应组合乘积0Vu与构件抗剪承载力设计值Vn的比值在0.16820.3010之间，均1，斜截面抗剪承载力满足规范要求。3.5 抗裂验算依据JTG D622004第6.3.1-3条、第6.3.1-4条、第6.3.1-8条分别进行正截面短期效应组合、正截面长期效应组合、斜截面短期效应组合抗裂验算：正截面短期效应：st-pc0.7 ftk正截面长期效应：lt-pc0斜截面短期效应：tp0.7 ftk式中：st 为受弯构件在短期效应组合（荷载组合）下截面混凝土边缘抗裂验算法向拉应力；lt为受弯构件在长期效应组合（荷载组合）下截面混凝土边缘抗裂验算法向拉应力；pc为预加力在扣除全部预应力损失后的混凝土边缘抗裂验算预压应力；tp为受弯构件在短期效应组合（荷载组合）和预加力下混凝土产生的主拉应力；ftk表示混凝土抗拉强度标准值4。抗裂验算结果见表3，其中正值表示拉应力，负值表示压应力。4 结论综合分析结果表明，特种车辆荷载通过桥梁产生的作用效应小于桥梁设计荷载下的抗力，该桥梁上部结构安全储备满足运输项目特种车辆通过需求。表3 正截面及斜截面抗裂验算结果 单位：MPa梁片编号st-pclt-pctp0.7ftk是否满足1#梁顶缘底缘-1.3771-6.4648-0.9318-7.18320.1522 1.855是2#梁顶缘底缘-1.4566-6.1351-1.5963-6.05791.1113 1.855是3#梁顶缘底缘-1.4787-6.1548-1.6015-6.06141.1172 1.855是4#梁顶缘底缘-1.5023-6.1667-1.6024-6.06491.0936 1.855是5#梁顶缘底缘-1.5184-6.1736-1.6036-6.06791.0204 1.855是6#梁顶缘底缘-1.5284-6.1774-1.6026-6.07050.8594 1.855是7#梁顶缘底缘-1.5346-6.1797-1.6017-6.07250.5656 1.855是8#梁顶缘底缘-1.5386-6.1813-1.6013-6.07400.4362 1.855是9#梁顶缘底缘-1.5409-6.1838-1.6013-6.07500.2836 1.855是但需要注意，现场运输存在复杂性和偶然性，特种车辆通过目标桥梁时依然可能会对桥梁结构产生破坏，故运输项目进行时应该注意几点：（1）运输项目开展前与结束后，应按规定向有关管养单位报备，并归档记录，为后续维养、检测提供资料。（2）运输项目开展前应拆除桥面中线处的岗亭、护栏、减速带及其他阻挡物，应按规范要求保证特种车辆沿桥梁中线行驶，尽量避免在通过桥梁时调整行驶方向。（3）运输项目开展时应避开交通高峰时段，特种车辆上桥时应封闭交通，禁止其他车辆通过。（4）特种车辆行驶过程中应匀速前进，最高车速不应超过5km/h，通过桥梁时不得出现制动、加速等操作。（5）特种车辆通过桥梁时应实时监测主梁裂缝发展情况，安排专业人员在桥梁各处观测桥梁现状5，当发现新增裂缝、既有裂缝持续发展、桥梁不明异响、梁体变形