段衛(wèi)黨， 鄧澤城， 上官煜， 陳鵬濤

(1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330025； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064)

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，大件運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嘣黾?，超重荷載成為橋梁結(jié)構(gòu)的隱患，并已引發(fā)事故，成為社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。大件運(yùn)輸是指載運(yùn)不可解體貨物，且車貨的總長(zhǎng)度、總寬度、總高度、總質(zhì)量至少有一項(xiàng)符合《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》(中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部令2021年第12號(hào))中規(guī)定的超限運(yùn)輸[2]。大件運(yùn)輸具有一定的強(qiáng)制性、低頻性、只能按指定時(shí)間和指定路線行駛、具有嚴(yán)格的速度限制、對(duì)沿線公路的結(jié)構(gòu)影響嚴(yán)重等特點(diǎn)[3]。相關(guān)部門在評(píng)估大件車過(guò)橋時(shí)需謹(jǐn)慎對(duì)待，導(dǎo)致大件運(yùn)輸審批效率低下。

目前，已經(jīng)有眾多學(xué)者開展相關(guān)研究。周廣利、張輝輝、姚明強(qiáng)、賈旭東、李浩恒等[4-8]對(duì)大件運(yùn)輸車輛選擇、路線選擇、橋梁狀態(tài)等級(jí)、橋梁承載力和加固方法進(jìn)行了分析；孫鵬旭、張勁泉等[9-10]對(duì)大件運(yùn)輸車載下的橋梁承載能力進(jìn)行了分析；Han、孫玉、袁陽(yáng)光、周廣利、劉航等[11-16]對(duì)大件運(yùn)輸車載下的橋梁安全性進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的評(píng)估方法；韓萬(wàn)水等[17]分析了不同車型作用下，車輛橫向行駛位置與軸重限值的關(guān)系，給出相應(yīng)的橋梁安全指數(shù)；徐昌、陳海威等[18-19]對(duì)實(shí)際某個(gè)大件運(yùn)輸工程進(jìn)行了分析，評(píng)估工程的可行性。大件運(yùn)輸車載下單個(gè)橋梁評(píng)估方法已經(jīng)較為成熟，但是路線級(jí)評(píng)估方法較為缺乏。為提高審批效率，現(xiàn)迫切地需要提出一種路線級(jí)、針對(duì)特定橋型的大件車通行的安全性快速評(píng)估方法。

小箱梁作為裝配式結(jié)構(gòu)，具有梁高較小、適應(yīng)變寬能力強(qiáng)、暴露面少、耐久性好、主梁剛度大、施工穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)各個(gè)省份中均有大量運(yùn)用。根據(jù)所統(tǒng)計(jì)9條高速公路的1 877座橋梁，小箱梁橋有472座，占比25.15%，其中最高占比為95.0%。

該文選擇中國(guó)3個(gè)省份海量大件運(yùn)輸數(shù)據(jù)，針對(duì)4種大噸位雙線式車軸大件運(yùn)輸車輛，對(duì)其單獨(dú)行駛通過(guò)小箱梁橋進(jìn)行安全性評(píng)估，結(jié)合小箱梁橋響應(yīng)規(guī)律和荷載效應(yīng)比較法，給出一種路線級(jí)快速評(píng)估大件車通行小箱梁橋的方法，并應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 高等級(jí)公路小箱梁橋體系參數(shù)分布特征及典型截面

對(duì)9條高速公路中所篩選的1 877座橋梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，小箱梁橋472座，占比25.15%。其中，預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁橋303座，占比64.19%；預(yù)應(yīng)力連續(xù)小箱梁橋 169座，占比35.81%。圖1(a)為不同單跨跨徑的小箱梁橋比例，圖1(b)為不同主梁片數(shù)的小箱梁橋比例。小箱梁橋主梁間距為2.7～3.3 m，單聯(lián)主梁跨數(shù)從1跨到8跨均有分布，典型截面如圖2所示。

圖1 小箱梁橋體系參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

圖2 典型截面(單位：cm)

2 基于通行審批數(shù)據(jù)的大件運(yùn)輸車輛加載模型

基于某3個(gè)省份大件運(yùn)輸通行管理部門提供的超過(guò)20萬(wàn)份的通行審批數(shù)據(jù)：包括車重、軸距等文本數(shù)據(jù)和圖片資料，通過(guò)圖片處理方法并結(jié)合人工方法[11]，考慮車輛在小箱梁橋上的加載形式以及各類荷載的占比情況，從3 000余組車輛信息中遴選出4種典型加載模型(圖3)。需要指出的是：所關(guān)注的均為大噸位的大件運(yùn)輸車輛，車輛軸型均為如圖3(e)所示的雙線式車軸，單線式車軸在此不作考慮。根據(jù)《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》(中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部令 2021年第12號(hào))第十七條的規(guī)定，考慮最不利原則確定軸重為18 t。

3 小箱梁橋體系參數(shù)對(duì)大件車載效應(yīng)的影響規(guī)律

3.1 加載分析方法

為提升建模效率，采用橋梁結(jié)構(gòu)通用計(jì)算分析軟件Midas/Civil進(jìn)行分析計(jì)算，引入橫向分布系數(shù)將空間受力問(wèn)題簡(jiǎn)化為單梁計(jì)算問(wèn)題，彭靜等[20]已驗(yàn)證單梁模型的精度滿足要求；劉旭政[21]等已指出橋面板現(xiàn)澆層剛度對(duì)彎矩的影響可忽略不計(jì)，故不作考慮。

圖3 大件運(yùn)輸車輛加載模型(尺寸單位：cm)

采用杠桿法和剛接板法分別計(jì)算支點(diǎn)位置和跨中位置的橫向分布系數(shù)，支點(diǎn)至1/4橋梁計(jì)算跨徑處的橫向分布系數(shù)采用線性插值。由于大件車在實(shí)際通行過(guò)程中低速行駛，故不考慮沖擊系數(shù)；而對(duì)于設(shè)計(jì)車輛，考慮沖擊系數(shù)。加載4種車輛模型并根據(jù)JTG D62—2004《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》布置公路-Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)車輛荷載，按式(1)計(jì)算4種加載模型與設(shè)計(jì)車輛作用下小箱梁橋荷載效應(yīng)比值。考慮到中國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)及小箱梁橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，在建立評(píng)估方法時(shí)重點(diǎn)關(guān)注小箱梁橋的抗彎性能。

(1)

式中：SD、SQ、md、mc、μ分別為加載模型荷載效應(yīng)值、設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)值、加載模型與設(shè)計(jì)汽車荷載的橫向分布系數(shù)、設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)；跨中處md/mc計(jì)算得其取值范圍為[0.457，0.513]，支點(diǎn)處md/mc取值為0.660；沖擊系數(shù)按JTG D62—2004《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》取用。

3.2 跨徑布置的影響

根據(jù)實(shí)際小箱梁橋立面布置圖，建立單跨跨徑為20 m、25 m、30 m、35 m，主梁間距為2.9 m，5片主梁的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁橋模型與5跨連續(xù)小箱梁橋模型，計(jì)算荷載效應(yīng)比值，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 小箱梁橋單跨跨徑影響分析

由圖4可得：

(1) 加載模型Ⅰ作用下，荷載效應(yīng)比值與單跨跨徑相關(guān)性較小，不作為主要考慮因素，對(duì)最小單跨跨徑簡(jiǎn)支小箱梁橋與最大單跨跨徑連續(xù)小箱梁橋進(jìn)行評(píng)估即可。

(2) 加載模型Ⅱ作用下，正彎矩及負(fù)彎矩比與單跨跨徑正相關(guān)，僅對(duì)最大單跨跨徑小箱梁橋進(jìn)行評(píng)估即可。

(3) 加載模型Ⅲ作用下，正彎矩比值與單跨跨徑正相關(guān)，負(fù)彎矩比值在單跨跨徑為30 m時(shí)達(dá)到峰值，即需要對(duì)單跨跨徑為30 m與最大跨徑進(jìn)行評(píng)估。

(4) 總軸重與荷載效應(yīng)比值正相關(guān)，僅對(duì)最大總軸重大件車進(jìn)行評(píng)估即可。

(5) 軸距與荷載效應(yīng)比值負(fù)相關(guān)，相同軸重下，對(duì)最小軸距大件車進(jìn)行分析即可。

3.3 跨數(shù)布置的影響

根據(jù)跨徑分析結(jié)果與小箱梁橋單跨跨徑分布情況，建立20 m跨徑簡(jiǎn)支梁及2～8跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁模型，計(jì)算荷載效應(yīng)比值，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 小箱梁橋跨數(shù)布置影響分析

由圖5可得：正彎矩及負(fù)彎矩比值與單聯(lián)跨數(shù)負(fù)相關(guān)，但在3跨之后相關(guān)性不明顯，即3跨及以下跨數(shù)小箱梁橋控制大件車通行評(píng)估結(jié)果。

3.4 主梁片數(shù)的影響

根據(jù)分析結(jié)果，選取單跨跨徑為25 m、主梁間距為2.9 m、主梁片數(shù)為3～7片的簡(jiǎn)支小箱梁橋與5跨連續(xù)小箱梁橋進(jìn)行建模分析,計(jì)算結(jié)果見圖6。圖6表明：主梁片數(shù)與荷載效應(yīng)比值相關(guān)性水平低，主梁片數(shù)為3片時(shí)，荷載效應(yīng)比值達(dá)到峰值。故其余結(jié)構(gòu)形式相同時(shí)，最低主梁片數(shù)的小箱梁橋控制大件車通行評(píng)估結(jié)果。

圖6 主梁片數(shù)影響分析

3.5 主梁間距的影響

綜合考慮統(tǒng)計(jì)結(jié)果及對(duì)單跨跨徑、跨數(shù)、主梁片數(shù)的分析結(jié)果，采用單跨跨徑為25 m、3片主梁、主梁間距為2.7～3.3 m的簡(jiǎn)支小箱梁橋和3跨連續(xù)小箱梁橋進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖7。圖7表明：主梁間距與荷載效應(yīng)比值相關(guān)性水平低，僅作為次要考慮因素，在其他參數(shù)相同情況下，最大主梁間距的小箱梁橋控制大件車通行評(píng)估。

圖7 主梁間距影響分析

4 大件運(yùn)輸車載下路線級(jí)小箱梁橋快速評(píng)估方法

根據(jù)分析結(jié)果，建立大件運(yùn)輸車載下路線級(jí)小箱梁橋快速評(píng)估方法，包括：① 根據(jù)加載車輛選擇控制性小箱梁橋建模分析；② 評(píng)估大件車通行可行性。

4.1 控制性小箱梁橋遴選準(zhǔn)則

基于上節(jié)分析結(jié)果，建立如圖8所示控制性小箱梁橋遴選準(zhǔn)則與評(píng)估流程。首先根據(jù)待評(píng)估大件車的荷載特性選擇對(duì)應(yīng)的加載模型，展開控制性小箱梁橋遴選；其次，對(duì)簡(jiǎn)支小箱梁橋和連續(xù)小箱梁橋分別根據(jù)分析結(jié)果對(duì)單跨跨徑和跨數(shù)兩大主要影響因素進(jìn)行選擇；最后，進(jìn)一步選擇最大主梁間距、最小主梁片數(shù)的小箱梁橋作為控制性橋梁進(jìn)行大件車通行評(píng)估。

4.2 荷載效應(yīng)評(píng)估

采用參考文獻(xiàn)[8]中荷載效應(yīng)比較法判別公式(2)評(píng)估大件車通行安全性。根據(jù)現(xiàn)有研究及規(guī)范，修改系數(shù)取值[4]如式(2)所示：

(2)

式中：α、ξd、ξc、ξ分別為式(1)中計(jì)入橫向分布系數(shù)和沖擊系數(shù)的荷載效應(yīng)比值、加載模型和設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)系數(shù)、承載能力折減系數(shù)。大件車荷載為偶然荷載，故ξd取值為1.0；ξc根據(jù)JTG D62—2004《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》取值為1.4；ξ為小箱梁橋承載能力折減系數(shù)，根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，考慮地區(qū)和橋梁整體情況取值。

袁陽(yáng)光等[13]考慮不同大件運(yùn)輸車輛通行目標(biāo)可靠指標(biāo)、現(xiàn)役橋梁的結(jié)構(gòu)配筋信息以及安全耐久性要求，分析確定了大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋評(píng)估時(shí)其安全系數(shù)ρ取值范圍為[1.115,1.131]?？紤]實(shí)際小箱梁橋結(jié)構(gòu)形式的差異性，取ρ為1.123。

圖8 評(píng)估流程

4.3 路線級(jí)小箱梁橋快速評(píng)估方法應(yīng)用

以某高速公路(總橋梁數(shù)155座，小箱梁橋數(shù)111座，占比71.61%)為研究對(duì)象，開展典型案例應(yīng)用分析，對(duì)加載模型通行該高速公路進(jìn)行評(píng)估，所統(tǒng)計(jì)橋梁信息如表1所示。

表1 橋梁跨徑信息

根據(jù)遴選原則，選擇一座編號(hào)為5的簡(jiǎn)支小箱梁橋和一座編號(hào)為8的連續(xù)小箱梁橋?yàn)榭刂茦蛄哼M(jìn)行建模分析。根據(jù)式(2)與有限元分析結(jié)果，計(jì)算加載模型Ⅱ作用下的橋梁安全系數(shù)ρ，結(jié)果如圖9所示,圖9說(shuō)明加載模型Ⅱ能夠安全通行該高速公路所有橋梁，且篩選方法準(zhǔn)確有效。

圖9 橋梁安全系數(shù)

5 結(jié)論

基于某3個(gè)省份大件車輛審批數(shù)據(jù)及9條高速公路的橋梁信息，總結(jié)4種典型加載模型，遴選控制性小箱梁橋，分析對(duì)比不同參數(shù)形式下的小箱梁橋響應(yīng)規(guī)律，建立了路線級(jí)大件車通行安全性評(píng)估方法，得到以下結(jié)論：

(1) 加載模型Ⅰ作用下，荷載效應(yīng)比值呈現(xiàn)較低水平；加載模型Ⅱ作用下，荷載效應(yīng)比值與單跨跨徑正相關(guān)；加載模型Ⅲ作用下跨中正彎矩比值與單跨跨徑正相關(guān)，負(fù)彎矩比值在單跨跨徑為30 m時(shí)達(dá)到峰值，即30 m跨徑與最大單跨跨徑的小箱梁橋控制通行評(píng)估結(jié)果。

(2) 荷載效應(yīng)比值與單聯(lián)跨數(shù)負(fù)相關(guān)，但在3跨之后變化不明顯，即最小單聯(lián)跨數(shù)的小箱梁橋控制大件車通行評(píng)估結(jié)果。

(3) 主梁片數(shù)、主梁間距與荷載效應(yīng)比值的相關(guān)性較小，3片主梁時(shí)荷載效應(yīng)比值達(dá)到峰值，即較小主梁跨數(shù)、主梁間距最大的小箱梁橋控制大件車通行評(píng)估結(jié)果。

根據(jù)小箱梁橋響應(yīng)規(guī)律，遴選控制性橋梁，可大幅減少建模工作量。結(jié)合有限元分析計(jì)算，通過(guò)式(2)計(jì)算安全系數(shù)，可快速判斷大件車通行安全性，提升審批速率。但當(dāng)前研究?jī)H針對(duì)小箱梁橋彎矩效應(yīng)進(jìn)行分析和評(píng)估，未對(duì)小箱梁橋剪力效應(yīng)與正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行分析，未來(lái)可在此方面開展進(jìn)一步研究。