趙士斌，李松輝

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引言

隨著我國汽車運輸業(yè)與社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，大型單體式載重汽車、半掛汽車列車、全掛汽車列車等車輛類型的使用日益增多，并向重型化發(fā)展。由于超重車輛荷載遠高于橋梁的設(shè)計荷載，不但嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性能，增加橋梁養(yǎng)護維修費用，也對橋梁正常運營構(gòu)成重大安全隱患，是導(dǎo)致我國橋梁損毀事件呈逐年上升趨勢的主要原因，給社會造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。

然而，因受《公路工程技術(shù)標準》(JTJ001 —97)(以下簡稱原技術(shù)標準)［1］車隊荷載的影響，業(yè)內(nèi)往往認為設(shè)計采用的車輛荷載即為橋梁實際允許通行的最大車輛荷載。由于認識水平的不同，即使按照同一汽車荷載等級設(shè)計的橋梁，其采用的限載標準也不一致。以汽車—20 級的公路橋梁為例，不同地區(qū)的限載標志既有20 t 也有30 t，給橋梁安全運營監(jiān)管帶來很大難度，也影響了公路貨運業(yè)的健康發(fā)展。因此，系統(tǒng)開展公路橋梁限載標準研究已刻不容緩。

針對橋梁限載問題，國內(nèi)學(xué)者做了一定研究。例如，宗雪梅、胡大琳等［2］以典型運煤超重車輛調(diào)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)車輛裝載特點與軸載統(tǒng)計結(jié)果，將超重車輛分為9 種類型，利用等代荷載法，分析了基于公路—Ⅰ級荷載標準的限載系數(shù)，提出了各類運煤輛車的限載標準。張俊平、劉愛榮、吳剛等［3，4］以混凝土梁式橋裂縫寬度作為廣義抗力，將隨機車輛荷載和鋼筋銹蝕量作為隨機變量，建立使用可靠度模型，提出亞健康梁式橋的限載方法。

為建立具有普遍適用性的公路橋梁限載標準，作者針對鋼筋混凝土中、小跨徑簡支梁橋，提出一種橋梁限載取值簡化分析模型［5］。該模型以設(shè)計活恒載比值為基本參數(shù)，可反算不同抗力水平和不同設(shè)計汽車荷載等級橋梁的限載系數(shù)，并由此推算與不同典型限載車輛模型對應(yīng)的總重限值，解決了橋梁限載標準的理論基礎(chǔ)問題。

本文以山東省某混凝土簡支空心板橋為例，以橋梁施工圖為依據(jù)，應(yīng)用限載分析模型推算出不同安全等級下典型車輛的荷載限值，并計算了典型限載車輛作用下空心板橋的跨中撓度和裂縫，以檢驗所提限載分析模型的工程適用性，并確定合理的橋梁限載安全等級。

1 限載分析方法

對于鋼筋混凝土中、小跨徑簡支梁橋，若按跨中最大承載能力確定限載取值，可采用恒載SG和典型限載車輛荷載限值SQth作為最基本荷載組合形式，相對于抗力R 的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)可表示為:

結(jié)構(gòu)的失效概率可表示為:

依據(jù)文獻［5］，若把車輛荷載效應(yīng)視為某一常量SQth，且SQth為典型限載車輛產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，則式(1)和式(2)可分別簡化為:

上式即為典型限載車輛荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)失效概率。

根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB/T 50283 －1999)［6］，抗力 R、恒載效應(yīng) SG的統(tǒng)計參數(shù)可表示為如下形式:

式中，Rk、SGk和 κR、κSG分別為抗力 R 及恒載效應(yīng) SG的標準值以及均值與標準值之比;μR、σR、δR為抗力R 的均值、方差和變異系數(shù);μSG、σSG、δSG為恒載效應(yīng)SG的均值、方差和變異系數(shù)。其中，R 與SG的分布類型與統(tǒng)計參數(shù)見表1。

表1 抗力與恒載效應(yīng)統(tǒng)計參數(shù)［6］

根據(jù)橋梁施工圖計算其抗力標準值Rk及恒載標準值SG，繼而按式(5)、式(6)推算抗力與恒載效應(yīng)的均值與標準差。在此情況下，若給定結(jié)構(gòu)容許失效概率Pf，就可按式(4)反算出與實際通行橋梁對應(yīng)的車輛荷載效應(yīng)上限值SQth。

2 工程實例

2.1 橋梁概況

朱府村大橋位于省道S017日照界—臨沂段莒南縣境內(nèi)，全長179.16 m，有新舊兩幅橋梁組成，本次限載分析的橋梁為該橋的新橋部分。新橋的原設(shè)計荷載等級為汽—20 級、掛車—100，建成年限為2000年11月，全橋共分13 孔，橫向由9 塊跨徑13.6 m的鋼筋混凝土空心板橋組成，橋面鋪裝采用瀝青混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土樁柱式墩臺，如圖1、圖2所示。

圖1 朱府大橋上游側(cè)面圖

圖2 上部結(jié)構(gòu)橫向布置圖(單位:m)

2.2 典型車輛限載取值

橋梁限載的對象是車輛荷載，因此，選取典型車輛荷載模型顯得尤為重要。根據(jù)文獻［5］，把原技術(shù)標準中車隊中30 t 三軸載重汽車作為公路—Ⅱ級和汽車—20 級橋梁的典型標準車輛模型，而以55 t五軸載重汽車作為公路—Ⅰ級和汽車—超20 級橋梁的典型標準車輛模型，如圖3所示。

參照美國現(xiàn)行橋梁評估指南對車輛限載取值的處理方法［7，8］，在典型載重汽車正常裝載的情況下，假定典型車輛荷載模型軸重與車輛總重W 保持一定的比例關(guān)系不變，則典型限載車輛總重Wth即為:

公式(7)中，k 為限載系數(shù)［5］;W 為典型標準車輛車重。

圖3 標準重車模型(重量單位:kN，尺寸單位:m)

下面分別以結(jié)構(gòu)可靠指標為4.7、4.2、3.7 為基準，推算相應(yīng)的容許失效概率，并由此反算限載系數(shù)，確定典型車輛總重限值。具體步驟如下:

1)確定恒載作用效應(yīng)標準值。橋面板橫斷面如圖4，混凝土容重為25 kN/m3，恒載作用效應(yīng)標準值如表2。

圖4 空心板橫截面(單位:cm)

表2 主梁恒載內(nèi)力

2)確定主梁跨中截面抗彎承載能力標準值。根據(jù)圖5，計算得出的跨中彎矩標準值為920.94 kN·m。

圖5 橫截面內(nèi)鋼筋布置(單位:cm)

3)按式(4)反算車輛荷載效應(yīng)上限值SQth。根據(jù)以上計算的標準值，由式(5)和式(6)，可以計算抗力R 以及恒載效應(yīng)SG均值及方差，見表3。應(yīng)用公路橋梁限載取值計算程序，反算與不同結(jié)構(gòu)可靠指標對應(yīng)的車輛荷載效應(yīng)上限值SQth，見表4。

表3 抗力R 以及恒載SG 統(tǒng)計參數(shù)值

表4 不同結(jié)構(gòu)可靠指標對應(yīng)的車輛荷載效應(yīng)上限值SQth

4)確定典型標準車輛作用下橋梁荷載效應(yīng)標準值?；钶d橫向分布系數(shù)采用鉸接板法［9］計算，根據(jù)最不利布載原則，計算出跨中汽車荷載橫向分布系數(shù)如表5，繼而求出內(nèi)力最大值在4 號梁處，典型三軸標準車輛和典型五軸標準車輛作用下內(nèi)力見表6。

表5 跨中汽車荷載橫向分布系數(shù)

表6 典型標準車輛作用下4 號梁內(nèi)力

5)確定典型標準車輛限載系數(shù)k 及典型限載車車重。限載系數(shù)k 為車輛荷載效應(yīng)上限值SQth與典型標準車輛荷載效應(yīng)標準值之比。限載系數(shù)k 及典型限載車車重Wth見表7。

表7 典型標準載重車不同結(jié)構(gòu)可靠指標對應(yīng)限載系數(shù)k及限載車重Wth

2.3 限載標準適應(yīng)性分析

前面分別計算了不同結(jié)構(gòu)安全等級下典型三軸和五軸載重車輛總重限值，其承載能力可滿足相應(yīng)結(jié)構(gòu)可靠指標要求。下面，從正常使用極限狀態(tài)，進一步分析不同安全等級下典型車輛荷載限值作用下主梁的跨中撓度和裂縫寬度，以檢驗所提限載取值的工程適用性。不同安全等級下，典型限載車輛產(chǎn)生的跨中撓度wQ和裂縫寬度Wfk見表8。

表8 典型限載車輛作用下橋梁跨中撓度及裂縫mm

經(jīng)計算，限載安全等級為一級、二級時，典型三軸限載車輛和典型五軸限載車輛作用下跨中撓度及最大裂縫均小于規(guī)范限值［10］。當(dāng)限載安全等級為三級時，跨中最大裂縫均大于規(guī)范規(guī)定的0.2 mm。因此，對于此類橋梁不建議按安全等級三級確定限載標準。

3 結(jié)論及建議

本文在假定車輛荷載效應(yīng)為常量的基礎(chǔ)上，依據(jù)橋梁限載簡化分析模型，針對鋼筋混凝土簡支空心板橋，詳細描述了限載取值的計算方法，并基于朱府大橋?qū)ο掭d模型進行工程適用性分析。經(jīng)分析得到以下主要結(jié)論:

1)小跨徑橋梁在典型三軸標準載重汽車與典型五軸標準載重汽車作用下，汽車荷載作用效應(yīng)相差不大(差值小于5%)。即，橋梁限載時，不能單以車重作為限載的標準，而應(yīng)考慮多方面因素(如:軸距、軸重)。

2)朱府大橋限載安全等級為一級、二級及三級時，允許通過的典型三軸限載車輛總重分別為30.12 t、35.50 t、41.24 t;典型五軸限載車輛總重分別為 52.58 t、61.98 t、72.00 t。

3)朱府大橋限載安全等級為一級、二級時，既可滿足承載能力極限狀態(tài)的要求，又可滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，按安全等級一級或二級進行限載是可行的。

［1］JTJ 001 －97，公路工程技術(shù)標準［S］.

［2］宗雪梅，胡大琳，高 軍.橋梁超重荷載與限載標準的確定［J］.長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，28(1):61 －75.

［3］張俊平，劉愛榮，吳 剛.亞健康梁橋運營荷載限制的可靠度分析［J］.廣州大學(xué)學(xué)報，2009，8(4):70 －74.

［4］劉愛榮，張俊平，禹奇才，等.亞健康公路混凝土梁式橋的限載方法研究［J］.中山大學(xué)學(xué)報，2009，48(5):42 －46.

［5］李松輝.公路橋梁限載取值的可靠性分析模型研究［J］.土木工程學(xué)報，2013，46(9):83 －90.

［6］GB/T 50283 －1999，公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準［S］.

［7］LRFR －1 Guide manual for condition evaluation and load and resistance factor rating (LRFR)of highway bridges(1st Edition and 2005 Interim)［S］.Washington DC:American Association of State Highway and Transportation Officials，2003.

［8］BR －MCEB －2 －I2 Manual for condition evaluation of bridges(2nd Edition with 2001 and 2003 Interim Revisions)［S］.Washington DC:American Association of State Highway and Transportation Officials，2000.

［9］葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［10］JTG D62 －2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.