大跨下承式钢箱系杆拱桥通行大件运输车辆能力研究

邹惠琼 ZOU Hui-qiong；
白洪涛 BAI Hong-tao；
代攀 DAI Pan；
聂杨明 NIE Yang-ming

（云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650041）

公路运输是服务范围最广、承担客货周转量最大、运输组织结构最为灵活机动的交通运输方式。大件运输作为一个特殊的运输领域，是公路运输中一项重要的任务[1]。随着社会经济快速发展，高速公路大件运输项目日趋频繁[2]。由于大件运输车车辆荷载与桥梁等结构标准设计车辆荷载不同，可能会超过桥梁设计标准，威胁桥梁结构的安全和缩减桥梁结构使用寿命，使桥梁面临更大安全风险[3-5]。同时，下承式系杆拱桥因其跨越能力大、建筑高度小、施工快捷、美观经济等优点使其在高速公路跨越河道、道路、铁路时被广泛采用[6]。然而，目前对大件运输车辆作用下大跨下承式钢箱系杆拱桥通行能力和结构安全评估尚缺少相关研究。鉴于此，本文以160t大件运输车辆通行一座主跨265m下承式钢箱系杆拱为例，通过有限元分析计算，对大件运输车辆作用下桥梁结构进行通行能力和结构安全评估，以期为同类型工程项目提供参考与借鉴。

1.1 大件运输车辆概况

该大件运输项目基本情况为昆明某运输有限公司运输变压器一件，车货总重160t（包括牵引车重量），车板平均轴重14.45t，运输时整车外型尺寸24m×3.1m×4.4m。运输车型为3轴牵引车和鹅颈全液压两纵列9轴车板组成。荷载详细布置情况如图1。

图1 大件运输车荷载详细布置图

1.2 验算桥梁工程概况

验算桥梁为G4216华坪至丽江高速公路大理连接线（丽江段）K74+025金鸡达旦河大桥。该桥主桥采用下承式钢箱拱肋系杆拱，拱肋理论计算跨径265m（目前国内已建成的同类桥型中跨度最大）。拱轴线为悬链线，矢高53m，矢跨比1/5，拱轴系数m=1.3。拱肋采用钢箱型截面，宽度2.8m，高度为变截面，拱顶高3.5m，拱脚高4.5m；
主梁采用钢混组合格构梁体系，其中主纵梁为箱型截面（2.8×3.2m），次纵梁与横梁为工字型截面（横梁中部梁高2.2m，次纵梁梁高0.8m），混凝土桥面板厚度25cm；
吊杆采用7-139型平行钢丝成品索，系杆采用15-55型钢绞线成品索。拱座与拱肋、格构梁固结，内部为超静定结构体系，外部为整体简支体系。拱座下设摩擦摆式减隔震支座。拱座为钢筋混凝土构件，拱座横梁为全预应力混凝土构件。主桥桥墩为横向分离式实心墩，承台群桩基础，桩基按摩擦桩设计[7]。桥梁总体布置图和现场实景照片见图2、图3。

图2 桥型总体布置图

图3 桥型总体布置图

目前大部分高速公路档案信息基本完善，定检巡查等工作已形成常态化。在进行桥梁验算评价时，主要分技术状况筛选阶段、结构验算核查阶段和评价建议及决策咨询阶段三个阶段开展工作。

2.1 阶段一：技术状况筛选阶段

在进行桥梁承载验算前，根据收集到的桥梁技术资料（本年度或者上年度的桥梁定检报告），对于桥梁技术状况为4类、5类的桥梁[8]，默认为桥梁技术状况较差，不具备通行条件。

2.2 阶段二：结构验算核查阶段

当桥梁的技术状况等级为1~3类时，进一步对桥梁进行检算评价。

在桥梁评价计算时，建立有限元桥梁模型并考虑桥梁缺陷状况，从而评价当前桥梁实际承载能力。对桥梁验算核查通常采用两种方法：等代荷载判别法简化验算法和承载能力评定验算法[4]。等代荷载简化判别法是指对桥梁结构分别计算出大件运输车辆荷载效应与设计荷载荷载效应，将两者进行比较，以判别大件运输车辆能否安全通过桥梁或是否应进行加固。规范承载能力极限状态验算法指按照现行公路桥涵设计规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）[9]进行承载能力验算（强度、刚度和稳定性），验算通过后大件运输车可以通过，验算不通过时应进行相应加固至承载力满足大件运输车要求后方可通行。大件运输主要评估流程如图4所示。

图4 大件运输主要评估流程图

2.3 阶段三：评价建议及决策咨询阶段

完成桥梁结构验算核查后，撰写通行评价报告，给出通行结论和建议。当桥梁在大件运输车辆荷载作用下，不满足规范的验算要求，相关应对方法有：调整车辆参数后重新进行检算评价、绕行、加固处理。

3.1 有限元模型建立

对运输线路上金鸡达旦河大桥主桥（265m大跨下承式钢箱系杆拱桥），采用桥梁结构分析与设计软件Midas Civil有限元分析程序对结构进行离散建模，离散后有限元模型共计梁单元2112个，桁架单元68个，板单元2884个，其中桥面板采用板单元模拟、吊杆采用桁架单元模拟，其余均采用空间梁单元模拟。在总体计算中，拱肋、风撑、钢格构梁加劲肋和横隔板的非模型重量按照重量提高系数施加。有限元模型如图5所示。

图5 金鸡金鸡达旦河大桥主桥有限元模型图

3.2 有限元计算结果分析

依据大件运输车辆所申报的轴载信息，对金鸡达旦河大桥主桥（265m大跨下承式钢箱系杆拱桥）进行结构验算核查。大件运输车辆和设计车辆荷载作用下，主拱肋、风撑、钢格构主纵梁、钢格构次纵梁、钢格构横梁、吊杆和系杆等重要受力构件的应力包络见图6~图12，汇总结果见表1。

图12 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下系杆内力图

表1 主要受力构件荷载效应比较表

图6 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下主拱肋组合应力包络图

图8 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下钢格构主纵梁组合应力包络图

图9 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下钢格构次纵梁组合应力包络图

计算结果表明，按车型资料计算主拱肋、风撑、钢格构主纵梁、钢格构次纵梁、钢格构横梁、吊杆和系杆等重要受力构件的大件运输车荷载效应均小于按桥梁设计荷载公路Ⅰ级的荷载效应，且富余较大。故从结构受力上来讲，大件运输车能安全通过金鸡达旦河主桥（265m大跨下承式钢箱系杆拱桥）。

本文通过对金鸡达旦河主桥（265m大跨下承式钢箱系杆拱桥）进行建模分析和计算，得出如下验算结论及建议：

①本验算仅对运管部提供的运输线路上所经过的桥梁汇总表中的桥梁结构受力进行验算，而桥梁净空、净高及车辆转弯半径等是否满足通行要求由通行单位现场测量后确定。

图7 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下风撑组合应力包络图

图10 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下钢格构横梁组合应力包络图

图11 大件运输车辆和设计车辆荷载作用下吊杆内力图

②大件运输车辆必须沿桥面中心线行驶。大件运输车辆应有路政部门全程护送，且护送的人员对运输方案、运输线路均熟悉。桥上运输车辆必须匀速，必须保证通行时桥上只有大件运输车单车通行，且必须保证桥上无其它重车、货车通行。过桥时，大件运输车车速应小于5km/h行驶。桥上运输车辆行驶时不允许有刹车、启动、变速等操作[8]。

③按提供的车型资料、规范装载及规范行驶的情况下，综合计算结果从结构受力上看，大件运输车能安全通行金鸡达旦河主桥（265m大跨下承式钢箱系杆拱桥）。

④对于大跨下承式钢箱系杆拱桥采用承载能力评定验算法计算复杂且耗时久。尽管大件运输车辆的总重通常远大于设计车辆荷载，但由于大跨下承式钢箱系杆拱桥通常为双幅整体式桥梁且大件车辆运输过程中实行交通管制。因此，大跨下承式钢箱系杆拱桥在主要构件在大件运输车辆作用下的效应往往小于设计车辆作用下的荷载效应且富余较大，故通常可选用等代荷载判别法简化验算法实现快速评估。