运梁车过汉江特大桥的结构安全分析*(交通)

                                张雨亮  陈楚龙

                (中交第二公路勘察设计研究院有限公司  武汉430056)

摘  要  以跨越汉江的武汉西四环线汉江特大桥（主桥为77 m+100 m+360 m+100 m+77 m五跨一联双塔双索面预应力混凝土斜拉桥）为例，基于通用有限元程序ANSYS12.1，对施工期间运梁车从指定路线通行汉江特大桥进行整体和局部结构验算，同时对比不同运梁路线下的结构应力分布情况。结果表明，在指定路线运梁车荷载作用下，汉江特大桥结构整体和局部受力均满足承载能力要求，结构安全可靠。

关键词  汉江特大桥  局部模型  运梁车  通行  结构安全

    在公路桥梁尤其是跨越水系的特大桥梁设计领域，设计师们在进行结构安全分析时，除了考虑结构自身施工过程及后期运营期间的受力安全，还需要把周边桥梁的施工机械附加荷载考虑进去（受地形、梁场限制运梁必须通行主桥）。汉江特大桥为武汉西四环主线桥梁的关键控制性工程，主桥及引桥主体结构施工完后需作为两侧装配式上部结构的运梁通道，为保证主桥结构安全，基于大型通用有限元程序ANSYS12.1，对西四环汉江特大桥运梁期间主桥的总体及局部受力进行了验算，确保了结构的安全。

1  工程概况

    武汉市四环线吴家山至沌口段高速公路是四环线工程中的“西段”，起自东西湖区G107与十一支沟交叉处，沿线经过武汉市下辖的东西湖区、蔡甸区、汉阳区和武汉经济技术开发区，终于蔡甸区军山镇与汉洪高速相交处，路线全长约22. 55 km。

    汉江特大桥主桥为77 m+100 m+360 m+100 m+77 m五跨一联双塔双索面预应力混凝土

斜拉桥，引桥为3×65 m预应力混凝土现浇箱梁，左、右幅分幅布置双向6车道，主桥桥面宽度为2×22 m(含风嘴)，引桥桥面宽度为2×20. 25 m。桥型总体布置见图1。

2主引桥混凝土箱梁安全性分析

2.1  运梁车车辆荷载概况

    运输小箱梁标准跨径梁长30 m，重量为106t，运梁车车头重量8t；车尾重量6t，总质量120t，按照6个轮轴重平均分配至每个轮压重100k N。考虑到实际行车的操纵性，运梁车行车路线宜设计为直线。本文设计的行车路线沿主桥PK箱梁中腹板中心线直至运梁车驶离65 m跨引桥部分。

2.2桥梁整体验算

    西四环线汉江特大桥汽车荷载采用公路一I级，根据桥宽，按10车道计算，计入横向偏载、冲击、车道横、纵向折减等影响。汽车荷载分布系数为：10×0. 50×0.97×1.15=5. 577 5 k N／m，设计汽车荷载均布荷载标准值为5. 577 5×10.5=58.6k N/m。

    按汉江特大桥同时布置18台运梁车（单幅运9片梁），每台运梁车连同T梁共重120 t，汉江大桥每延米汽车荷载为(120×18×10)／909=23.8kN/m;均布荷载标准值为设计值的40. 6%，富裕量较好。

    根据以上计算分析，汉江特大桥整体受力结构安全可靠。

2.3桥面板局部受力分析

2.3.1  设计行车路线运梁局部验算

    本研究采用大型通用有限元分析软件AN-SYS12.1分别建立汉江特大桥主桥边箱梁标准节段以及引桥单跨有限元实体模型。模型中，单元类型为空间实体单元SOLID45。C50混凝土箱梁板弹性模量34.5 G Pa、泊松比0.3、密度2.5×103kg/m³，模型中未考虑混凝土板中的预应力筋及普通钢筋。基于圣维南原理，主桥建立3个标准节段(3×6 m)节段（见图2a），按照1／2模型大小，其中横桥向桥梁中心线处按照对称面约束，吊杆按照实际位置采用弹性支承。考虑到引桥箱梁截面形式相对简单，本文直接建立单跨65 m引桥实体单元模型（见图2b），边界条件为简支。主、引桥节段模型中，外部荷载为运梁车车轮压，均按照面荷载沿着运梁车行驶路线施加于桥面跨中。

    在运梁车轮压荷载作用下，汉江特大桥主桥边箱梁节段最大主拉应力值为0. 803 M Pa，最大主压应力值为-1. 72  M Pa（见图3），分别低于C50混凝土设计抗拉强度设计值1.83 M Pa和抗压强度设计值22.4 M Pa，由局部分析验算可知，按照指定运梁车行车路线，汉江特大桥桥面板在轮压作用下，混凝土局部主拉压应力均在安全范围内，且富裕量较大。

    在运梁车轮压荷载作用下，汉江特大桥引桥现浇箱梁节段最大主拉应力值为0. 699 M Pa，最大主压应力值为-1. 45 M Pa（见图4），分别低于C50混凝土设计抗拉强度设计值1.83 M Pa和抗压强度设计值22.4 M Pa，由局部分析验算可知，按照指定运梁车行车路线，汉江特大桥桥面板在轮压作用下，混凝土局部主拉压应力均在安全范围内，且富裕量较大。

2.3.2  对比行车路线运梁车局部验算

    本文设计的行车路线沿主桥PK箱梁中腹板中心线直至运梁车驶离65 m跨引桥部分，主要考虑到中腹板加腋部位可以均匀分配车轮传递的均布移动面荷载，并可以有效地减小应力集中，安全性能较高。为便于探讨设计行车路线的合理性，本小节增设沿主桥中心线行驶的对比工况，此时，轮压作用于主桥边箱梁顶板上非腹板加腋的位置。同样的，基于圣维南原理，主桥建立3个标准节段(3×6 m)节段，1／2有限元模型见图5a)。由图5b）、图5c）可见，在运梁车轮压荷载作用下，汉江特大桥引桥现浇箱梁节段最大主拉应力值为2. 63 M Pa，最大主压应力值为-3. 49M Pa，前者高于C50混凝土设计抗拉强度设计值1. 83 M Pa；由局部分析验算可知，按照对比运梁车行车路线，汉江特大桥桥面板在轮压作用下，混凝土局部主拉压应力超出了安全范围，相比设计行车路线，即运梁车车轴沿主桥PK箱梁中腹板中心线位置工可轮压产生的主拉应力值，对比工可约为前者的3. 28倍，充分说明了设计行车路线的合理性和安全性。

2.4计算结论及运梁车行车要求

    (1)经验算汉江特大桥可以通行运梁车，运梁作业时应进行交通管制，禁止其他车辆通行。

    (2)考虑桥面局部受力情况，运梁车应以主桥腹板为中心线行驶，行车中心线距离桥梁中心线8.2 m，运输过程中应按照车道线标示运梁路线（见图6），运梁时运梁车沿着运梁线路行走，直到架设部位。

    (3)武汉西四环汉江特大桥主桥714 m，引桥195 m，全长909 m，2幅桥同时运梁。考虑到可能有运梁车队经过汉江大桥的情况，务必保持车距，每100 m桥面仅存在l台运梁车，即全桥同时最多存在9台运梁车。

3结语

    武汉西四环全线桥涵比重大，汉江特大桥作为代表性的桥梁，在结构整体和局部受力方面均满足运梁车辆通行需求。通过上述分析可指导四环线其他段落预制梁的施工及运输工作，为施工单位进行运梁作业提供了理论依据。