超載超限對(duì)公路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋正常使用性能的影響

何偉南, 邵吉林

(1. 紹興市公路管理局, 浙江 紹興 312035; 2. 浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院, 杭州 311305)

超載超限對(duì)公路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋正常使用性能的影響

何偉南1, 邵吉林2

(1. 紹興市公路管理局, 浙江 紹興 312035; 2. 浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院, 杭州 311305)

目前國(guó)道上的車輛超載超限問(wèn)題致使中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)正常使用性能退減. 本文利用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)得到104國(guó)道某路段的車輛荷載信息, 分析當(dāng)前國(guó)道各類軸型車輛荷載分布及超載超限狀況. 以三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為依托,采用有限元方法分析不同車輛過(guò)橋時(shí)關(guān)鍵細(xì)節(jié)應(yīng)力歷程, 并對(duì)比分析超載超限的影響規(guī)律. 結(jié)果顯示, 當(dāng)前國(guó)道公路橋梁存在較嚴(yán)重的車輛超載超限情況, 將導(dǎo)致混凝土橋梁頂?shù)装甯拱宄霈F(xiàn)裂縫, 從而影響橋梁的正常使用性能, 其中超限作用更為敏感.

超載; 超限; 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁; 主拉應(yīng)力; 裂縫

引言

隨著國(guó)省道公路逐步取消收費(fèi), 為了節(jié)約運(yùn)輸成本, 原先大量走高速公路的貨運(yùn)車輛都轉(zhuǎn)走國(guó)省道及地方公路, 使得國(guó)省道公路上的重型車比例增多, 而部分車主為了追求短期的經(jīng)濟(jì)效益更是嚴(yán)重超限超載. 近年來(lái)大量國(guó)省道及地方公路橋梁出現(xiàn)了不同程度的損壞, 個(gè)別橋梁甚至出現(xiàn)了被壓塌的嚴(yán)重事故, 造成重大經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失以及橋塌、車毀、人亡的嚴(yán)重后果, 因此針對(duì)公路橋梁的超載超限問(wèn)題的研究已迫在眉睫.

超載超限運(yùn)營(yíng)使得橋梁結(jié)構(gòu)不堪重負(fù), 引起橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、有效預(yù)應(yīng)力降低并致使橋梁結(jié)構(gòu)剛度降低、承載力下降, 長(zhǎng)此以往公路橋梁的使用性能將大大降低. 孫曉燕[1]等通過(guò)12根鋼筋混凝土梁的超載試驗(yàn)分析超載對(duì)橋梁構(gòu)件受彎性能的影響, 試驗(yàn)結(jié)果表明超載對(duì)橋梁構(gòu)件承載力的降低不顯著, 但超載作用后橋梁構(gòu)件裂縫和撓度明顯增大, 從而導(dǎo)致正常使用性能降低. 張建仁[2]等對(duì)在役鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T型梁橋運(yùn)用千斤頂加載模擬兩軸、三軸載重汽車荷載, 研究超載和極限荷載作用下的銹蝕鋼筋混凝土梁橋的受力性能. 李全旺[3]等基于結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度理論對(duì)超重負(fù)荷的在役橋梁承載力退化演變規(guī)律研究, 研究結(jié)果顯示橋梁荷載歷史對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能退化有重要的影響.

本文以104國(guó)道上一座預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋梁為依托, 基于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)采集的實(shí)際車輛荷載數(shù)據(jù),研究超載超限車輛作用下橋梁關(guān)鍵響應(yīng)的分布特點(diǎn), 為公路混凝土橋梁治超提供技術(shù)支持.

1　國(guó)道超載超限現(xiàn)狀分析

為了反映當(dāng)前國(guó)道公路橋梁的實(shí)際汽車荷載特性, 基于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)采集到了10個(gè)月的104國(guó)道紹興地區(qū)某路段上通行車輛信息(軸型、軸重、總重、軸距等). 其中車輛總重及最大軸重是汽車荷載的兩個(gè)重要參數(shù), 其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示.

圖1　車輛總重分布

根據(jù)我國(guó)七部委聯(lián)合治超對(duì)超載車輛的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)[4], 可按下面的公式對(duì)車輛超載超限情況進(jìn)行分析:

結(jié)果 (見(jiàn)表1) 顯示, 二至六軸車輛均出現(xiàn)了不同程度的超載情況, 其中三軸車和六軸車的超載車輛出現(xiàn)比例最高, 超載率分別為17.9%和17.5%, 六軸超載車輛的荷載分布范圍較大, 總重超130t的車輛占該軸型車輛的1.5%; 二軸超載車輛出現(xiàn)的最大超載程度最大, 車輛總重達(dá)到治超標(biāo)準(zhǔn)重的四倍. 所有軸型車輛均出現(xiàn)了單軸超35t的超限車輛, 按單軸10t為限載標(biāo)準(zhǔn), 三至六軸車出現(xiàn)超限情況的比例均較大,同時(shí)盡管二軸車的超限車輛比較相對(duì)較小, 但其出現(xiàn)的超限程度是所有車型中最大.

表1　基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的超載超限分析

為便于對(duì)實(shí)際車輛過(guò)橋荷載效應(yīng)分析, 基于上述各類軸型車輛荷載特征, 利用下面的公式計(jì)算各類軸型車輛的等效荷載[5]:

由此制定得到的二至六軸車型的等效標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載見(jiàn)表2. 由表2可以看出, 標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模型與軸型數(shù)基本呈線性關(guān)系, 六軸車的標(biāo)準(zhǔn)荷載總重達(dá)到橋規(guī)車輛荷載55t的限值. 除二軸車外其余各軸型車輛的最大軸重均超過(guò)了10t單軸限值.

表2　國(guó)道汽車標(biāo)準(zhǔn)荷載的制定

五軸車360.0124.0 1854 0.0019六軸車553.0147.0 7160 0.0074

2　預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的有限元模擬

鐘家灣立交橋主橋?yàn)橐蛔?22m+38m+22m)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁, 其跨徑及截面布置形式如圖2所示. 為獲得準(zhǔn)確地車輛過(guò)橋引起的關(guān)鍵細(xì)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài), 采用ANSYS大型通用有限元軟件建立全橋?qū)嶓w模型. 橋梁結(jié)構(gòu)的各主要構(gòu)件模型建立概況如下:

(1) 主梁: 混凝土主梁為等高度變截面連續(xù)梁, 主橋平曲面半徑R=360m , 采用Solid45單元模擬, 混凝土材料參數(shù)按C50確定, 有限元模型如圖3所示;

(2) 預(yù)應(yīng)力: 按照實(shí)際預(yù)應(yīng)力鋼束布置形式進(jìn)行建模, 采用Link180單元模擬, 考慮錨具變形、孔道摩擦、收縮徐變等因素引起的預(yù)應(yīng)力損失, 模型中的預(yù)應(yīng)力布置如圖4所示;

(3) 邊界條件: 橋跨支座約束布置形式如圖2所示, 考慮改善彎箱梁支承反力分布的支座外移, 模型在支座位置處均進(jìn)行豎向約束, 中支點(diǎn)在橫橋向均自由, 縱橋向一中支點(diǎn)固定.

圖2　鐘家灣立交主橋的跨徑布置及截面形式(單位: 米)

圖3　預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋有限元模型

圖4　預(yù)應(yīng)力布置圖示

考慮汽車行駛于橋梁的移動(dòng)荷載特點(diǎn), 在有限元模擬車輛過(guò)橋時(shí)將汽車第一個(gè)軸重作用于橋跨開(kāi)始計(jì)入, 直至汽車最后一個(gè)軸重離開(kāi)橋跨結(jié)束, 并考慮不利荷載效應(yīng)將移動(dòng)荷載沿彎橋外車道布置. 利用荷載步, 將車輛過(guò)橋移動(dòng)距離等分30份, 分別計(jì)算每次車輛移動(dòng)至相應(yīng)橋跨位置時(shí)的荷載效應(yīng), 每步分析計(jì)入箱梁自重及預(yù)應(yīng)力效應(yīng). 圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)六軸車過(guò)橋移動(dòng)荷載的模擬. 在計(jì)算工況中, 考慮橋梁實(shí)際承受的超載超限作用, 在制定的標(biāo)準(zhǔn)荷載基礎(chǔ)上再進(jìn)一步考慮超載超限1倍(車輛荷載/標(biāo)準(zhǔn)荷載=2.0)和超載超限3倍(車輛荷載/標(biāo)準(zhǔn)荷載=4.0)的工況.

圖5　六軸車輛移動(dòng)荷載加載圖示

3　超載超限荷載效應(yīng)分析

隨著車輛荷載增大, 橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵響應(yīng)值也將增大. 二軸至六軸標(biāo)準(zhǔn)車輛過(guò)橋引起的邊跨、中跨跨中及中跨四分點(diǎn)頂?shù)装寮案拱逯鲬?yīng)力幅如圖6所示. 從圖6可以看出: 1)標(biāo)準(zhǔn)車輛過(guò)橋引起的關(guān)鍵截面主應(yīng)力變化幅值均小于1.0MPa, 即在標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載作用下該箱梁橋不發(fā)生因達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)受力裂縫; 2)在頂板引起的主拉應(yīng)力較底板更為顯著, 頂板主拉應(yīng)力幅較明顯反映出其個(gè)數(shù)與軸數(shù)基本一致,且應(yīng)力變化范圍與車輛軸距有關(guān); 3)該箱梁橋在中跨四分點(diǎn)的腹板主應(yīng)力均較少, 車輛荷載效應(yīng)的關(guān)鍵控制區(qū)域?yàn)榻孛骓數(shù)装?

圖6　二至六軸標(biāo)準(zhǔn)荷載作用關(guān)鍵應(yīng)力歷程

隨著車輛荷載大小的增加, 橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵響應(yīng)值也將增長(zhǎng), 在圖6基礎(chǔ)上分析超載1倍和3倍情況,可以看出: 1)二軸標(biāo)準(zhǔn)荷載下的主應(yīng)力值仍較小, 未達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度, 能保持較好的使用性能; 2)其余軸型車輛隨著超載程度增大, 邊跨跨中及中跨跨中等截面的頂?shù)装宥紝⒊霈F(xiàn)較大的主拉應(yīng)力, 特別是箱梁頂板的主拉應(yīng)力值增長(zhǎng)明顯. 當(dāng)達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí), 將可能誘發(fā)由超載車輛作用引起的相應(yīng)區(qū)域的開(kāi)裂; 3)除四軸車輛荷載在邊跨跨中頂板引起更顯著的主拉應(yīng)力外, 其余軸型車輛的最大主拉應(yīng)力均出現(xiàn)在中跨跨中截面頂板處.

為了分析各類軸型車輛過(guò)橋時(shí)最大主拉應(yīng)力發(fā)展規(guī)律, 分別對(duì)車輛總重和最大軸重進(jìn)行比較, 結(jié)果如圖7所示.

1) 圖7(a)為隨著車輛總重的增加, 不同軸型車輛的最大主拉應(yīng)力增長(zhǎng)變化. 結(jié)果顯示, 不同軸型車輛的總重與主拉應(yīng)力變化趨勢(shì)不一致; 軸數(shù)較少的車輛引起的主拉應(yīng)力對(duì)車輛總重更為敏感; 相同車輛荷載時(shí)三軸車輛引起的主拉應(yīng)力比四軸車更大, 但兩者主拉應(yīng)力隨總重的增長(zhǎng)率基本一致; 五軸車和六軸車隨車輛總重增長(zhǎng)具有較一致的變化.

2) 圖7(b)為各軸型車輛中最大軸重與產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力的關(guān)系. 結(jié)果顯示, 不同軸型車輛的最大軸重與主拉應(yīng)力的變化規(guī)律一致, 即隨著最大軸重的增大主拉應(yīng)力也相應(yīng)增大; 主拉應(yīng)力值及變化率大小基本與最大軸重成正比, 即六軸車輛(最大軸重為147kN)變化率最大, 三軸車(最大軸重為138kN)次之,然后為五軸車(最大軸重為124kN); 由于這里比較的四軸車最大主拉應(yīng)力取為邊跨跨中截面, 因而與其他軸型車輛的變化趨勢(shì)有差別.

3) 由上述兩種主拉應(yīng)力比較可知, 車輛荷載引起的最大主拉應(yīng)力與車輛荷載的軸重的關(guān)系更為密切.

圖7　最大主拉應(yīng)力與車輛荷載的關(guān)系

4　結(jié)論

(1) 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 該國(guó)道路段的車輛超載超限現(xiàn)象仍較普遍, 三軸車和六軸車的超載超限車輛出現(xiàn)比例最高, 同時(shí)二軸、三軸、五軸車出現(xiàn)了超單軸10t限載4倍的超限情況;

(2) 基于制定的各軸標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載, 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁外邊跨、中跨跨中及中跨四分點(diǎn)頂?shù)装寮案拱逄幍闹骼瓚?yīng)力值均小于混凝土抗拉極限強(qiáng)度, 即在正常車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)能保持較好使用性能,但隨車輛荷載增加, 特別是軸數(shù)較大汽車過(guò)橋?qū)?dǎo)致頂?shù)装逯骼瓚?yīng)力值增長(zhǎng)明顯, 可能誘發(fā)相應(yīng)區(qū)域開(kāi)裂, 從而影響正常使用性能;

(3) 比較車輛總重和最大軸重與橋梁關(guān)鍵截面最大主拉應(yīng)力的關(guān)系可知, 各類軸型車輛總重與主拉應(yīng)力變化趨勢(shì)不一致, 但最大軸重與主拉應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致, 且隨著最大軸重的增大主拉應(yīng)力變化率也隨著增長(zhǎng), 因而在治超管理時(shí)需要對(duì)單軸超限情況予以重點(diǎn)關(guān)注.

[1] 張曉燕, 黃承逵, 趙國(guó)藩, 等. 超載對(duì)橋梁構(gòu)件受彎性能影響的試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(6): 35～40

[2] 張建仁, 彭 暉, 張克波, 等. 銹蝕鋼筋混凝土舊橋超限及極限荷載作用的現(xiàn)場(chǎng)破壞性試驗(yàn)研究[J]. 工程力學(xué), 2009, 26: 213～224

[3] 李全旺, 王 草, 張 龍. 考慮結(jié)構(gòu)劣化和荷載歷史的既有橋梁承載力更新[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 55(1): 8～13

[4] 張喜剛. 公路橋梁汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)研究[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014

[5] 童樂(lè)為, 沈祖炎, 陳忠延. 城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 1997, 30(5): 20～27

The Influence of Overload and Overrun on the Service Performance of Prestressed Concrete Box Girder Bridges

HE Wei-nan1, SHAO Ji-lin2
(1. Shaoxing Highway Administration, Shaoxing, 312035, China; 2. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou, 311305, China)

The overload transportation results in the service performance degradation of small and medium span concrete bridges on the national roads. Based on the practical data of vehicle load in national road 104 measured by Weigh in Motion (WIM) system, the vehicle load distribution and the status quo of the overload transportation were analyzed. Supported by a three-span prestressed concrete continuous box girder bridge, the critical stress history via different vehicles was analyzed and the overload effect was compared by finite element method. The result shows that it still exists a serious overload transportation situation which leads to concrete crack in the top and bottom flanges and the web of the box girder and deteriorates the service performance of concrete bridge, and the over-limit of axle weigh is much more sensitive to the concrete bridge behavior.

overload, overrun; prestressed concrete box girder bridge; principal tensile stress; crack

U445.7

A

1672-5298(2016)03-0063-08

2016-06-08

何偉南(1977- ), 男, 浙江金華人, 碩士, 紹興市公路管理局高級(jí)工程師. 主要研究方向: 橋梁養(yǎng)護(hù)與管理