大件運(yùn)輸中橋梁通行能力評估的思路和方法

孫 玉，吳 薇

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.濟(jì)南市第二公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 271100）

引言

大件運(yùn)輸是指載運(yùn)不可解體物品的超限運(yùn)輸[1]。由于受環(huán)境和技術(shù)等條件影響導(dǎo)致大型物件無法拆解運(yùn)輸，總重或軸重往往遠(yuǎn)超出現(xiàn)有公路橋梁設(shè)計(jì)荷載等級，給運(yùn)輸沿線橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全造成了極大的安全隱患。為解決這一問題，運(yùn)輸過程經(jīng)常采用多軸液壓軸線車，以達(dá)到降低軸重的目的。由于液壓軸線車軸數(shù)的增加還受到道路寬度、轉(zhuǎn)彎半徑影響，不能為降低軸載而無限制地增加軸數(shù)?！冻捱\(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》（交通運(yùn)輸部2016年第62號令）中第十七條對液壓軸線車的軸重作出明確規(guī)定：若采用多軸多輪液壓平板車運(yùn)輸，車輛每軸線（一線兩軸八輪胎）的平均軸荷超過18 000 kg或者最大軸荷超過20 000 kg，公路管理機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)依法作出不予行政許可的決定。液壓軸線車軸距小荷載密度較大，在運(yùn)輸過程中橋梁承載能力并不明確，需要根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）[2]等對運(yùn)輸路線上的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力評定，保證橋梁的運(yùn)營安全。

1 橋梁通行能力評估流程

（1）需要搜集完整的橋梁圖紙，包括詳細(xì)的橋梁設(shè)計(jì)圖紙資料和設(shè)計(jì)資料，對于部分建設(shè)年代久遠(yuǎn)的橋梁，若不能搜集到橋梁設(shè)計(jì)資料，需要測量結(jié)構(gòu)尺寸等基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（2）需要進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況評定及材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測，依據(jù)資料選擇適合方法進(jìn)行承載能力的初步評估，確定橋梁的理論通行能力。（3）綜合橋梁通行能力評價(jià)結(jié)果及現(xiàn)場環(huán)境實(shí)際情況，提出科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、有效的維修加固與通行位置的解決方案。大件運(yùn)輸中橋梁通行能力評估的總體流程見圖1。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)通行能力評估流程

1.1 確定大件運(yùn)輸參數(shù)

（1）貨物參數(shù)主要包括貨物重量、貨物尺寸（長、寬、高）等。（2）運(yùn)輸車輛參數(shù)包括運(yùn)輸車輛和車板的種類，平面尺寸、橫向、縱向軸距、軸數(shù)、輪數(shù)等，以及車板可調(diào)整的最大最小高度等。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)資料

橋梁結(jié)構(gòu)資料主要包括原始資料和后期運(yùn)營和改建資料。原始資料主要包括橋梁設(shè)計(jì)圖紙資料、地址資料和施工資料，通?？蓮臉蛄汗莛B(yǎng)部門或設(shè)計(jì)單位獲??；后期運(yùn)營和改建資料包括橋梁建成后的運(yùn)營資料、維修保養(yǎng)資料和改擴(kuò)建資料等，通常需要從橋梁管養(yǎng)部門獲取。

1.3 橋梁缺損狀況檢查、材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測評定

對于橋梁數(shù)量較多的情況，在參數(shù)指標(biāo)檢測后結(jié)合收集到的橋梁基本資料，按照跨徑組合、材料、截面型式、結(jié)構(gòu)類型、檢測結(jié)果、資料搜集等狀況進(jìn)行分類，將同種類型的橋梁進(jìn)行匯總歸納，選擇適合的驗(yàn)算方法，從而達(dá)到簡化計(jì)算和優(yōu)化工作流程。

1.4 橋梁承載力評定階段

如果橋梁設(shè)計(jì)資料齊全，優(yōu)先采用實(shí)際荷載驗(yàn)算法；若部分橋梁沒有設(shè)計(jì)資料，但通過現(xiàn)場實(shí)測確定了主要結(jié)構(gòu)尺寸和鋼筋布置狀況等信息，可以采用荷載效應(yīng)比較法或者修正的等代荷載法進(jìn)行初步承載力評估。

承載力計(jì)算開始前必須制定前置條件和相關(guān)約定，由于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中未對大件運(yùn)輸荷載做出條文說明，通常參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 023-85）4.1.2-2中平板掛車或履帶車的分析系數(shù)計(jì)算液壓軸線車荷載效應(yīng)。由于超重車總重通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于日常運(yùn)營通行車輛，在分析前對計(jì)算要點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一。

1.5 橋梁加固設(shè)計(jì)階段

若橋梁承載能力不能滿足大件運(yùn)輸要求，要根據(jù)橋梁承載能力評定結(jié)果采取一定加固補(bǔ)強(qiáng)措施。加固方法不止一種，則需要進(jìn)行比選，選擇最優(yōu)加固方案。加固或改造措施應(yīng)當(dāng)盡量遵循：“優(yōu)先采用臨時(shí)措施，便于實(shí)施、拆除和可回收利用” 的原則。由于大件運(yùn)輸車輛屬于特殊荷載，通常采取區(qū)域性加固方法，即在滿足通行的前提下，走哪里加固哪里。合理的加固方案不僅要根據(jù)承載力驗(yàn)算結(jié)果，還要考慮運(yùn)輸次數(shù)、所在線路的運(yùn)營狀況、維修改造計(jì)劃等信息綜合確定。

1.6 加固效果評估及運(yùn)輸過程的監(jiān)測

對采取加固措施的橋梁、承載能力安全儲備小的橋梁、運(yùn)輸線路上特別重要的橋梁，可進(jìn)行橋梁荷載試驗(yàn)或在模擬運(yùn)輸過程中對撓度、應(yīng)變、裂縫狀況進(jìn)行觀測，以準(zhǔn)確評定結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力。若在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)了可能影響結(jié)構(gòu)承載力的關(guān)鍵病害，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行運(yùn)輸過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測，對病害進(jìn)行跟蹤觀測，以便對結(jié)構(gòu)運(yùn)輸安全性作出準(zhǔn)確評價(jià)。

1.7 運(yùn)輸后橋梁狀況評估

大件運(yùn)輸車輛通行后，應(yīng)對橋梁外觀狀況進(jìn)行及時(shí)觀測，評價(jià)大件運(yùn)輸車輛通行對結(jié)構(gòu)的影響。若有必要，可對某些橋梁進(jìn)行特殊檢查或荷載試驗(yàn)，確保大件運(yùn)輸完成后橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營。

2 大件運(yùn)輸橋梁承載能力評定的常用方法

大件運(yùn)輸沿線橋梁通行能力評定常用的方法有實(shí)際荷載驗(yàn)算法、修正的等代荷載法[3]、荷載效應(yīng)比較法和荷載試驗(yàn)法。

2.1 實(shí)際荷載驗(yàn)算法

通過對大件運(yùn)輸車輛過橋時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力效應(yīng)和原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行對比，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足大件運(yùn)輸車輛通行要求。由于承載能力驗(yàn)算反映了結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)與作用效應(yīng)的對比[4]，而在橋梁設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)安全性一般來說都是偏于保守的，材料參數(shù)取值、計(jì)算方法等都有一定安全儲備，實(shí)際承載能力會高于設(shè)計(jì)荷載等級要求。但經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)營，材料會發(fā)生一定程度退化，橋梁結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)降低承載能力或影響結(jié)構(gòu)耐久性病害，因此需要對結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行修正。實(shí)際荷載驗(yàn)算法是目前判斷大件運(yùn)輸車輛是否安全通行最為準(zhǔn)確的承載力評定方法。

式中：γ0—結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S—荷載效應(yīng)函數(shù)；R（）—抗力效應(yīng)函數(shù)；fd—材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；adc—構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ads—構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z1—承載能力檢算系數(shù)；ξe)—承載能力惡化系數(shù)；ξe—配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ξe—鋼筋的截面折減系數(shù)。

在使用該方法計(jì)算過程中，需要計(jì)算恒載效應(yīng)、特載車效應(yīng)、結(jié)構(gòu)折減后的抗力，直觀判斷通行情況。對于一些設(shè)計(jì)圖紙、地質(zhì)資料等缺失或不全的橋梁，該判定方法不宜使用，需根據(jù)資料搜集情況選擇其他評定方法。實(shí)際荷載驗(yàn)算法要求對每種結(jié)構(gòu)逐一驗(yàn)算，若大件運(yùn)輸路線長，沿線橋梁數(shù)量多、橋型多、跨徑多，使用實(shí)際荷載計(jì)算法工作量會明顯增大，特別每座橋梁的地質(zhì)情況都千差萬別，橋梁下部結(jié)構(gòu)計(jì)算工作量比較巨大，其快捷性和簡易性上存在有較大不足。目前高速公路或新建國省道干線公路橋梁結(jié)構(gòu)相對統(tǒng)一，實(shí)際荷載驗(yàn)算法是優(yōu)先采用的方法，但不適用于橋梁較多、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜運(yùn)輸路線的橋梁承載力計(jì)算。

2.2 荷載效應(yīng)比較法

通過理論計(jì)算，既可以得到設(shè)計(jì)荷載下的車輛或車道荷載效應(yīng)，又可以計(jì)算超重車產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，因此在進(jìn)行通行能力評價(jià)時(shí)，只需把超重車效應(yīng)和設(shè)計(jì)荷載下的車道或車輛荷載效應(yīng)進(jìn)行對比，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力。

式中：SC—超重車荷載效應(yīng)值；SQd—汽車荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值。判別標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)μ≤1.05，超重車具有容許通過權(quán)；當(dāng)μ＞1.05，超重車喪失通過權(quán)。

某些橋梁結(jié)構(gòu)在大件運(yùn)輸車輛通行時(shí)，設(shè)定行駛位置為居中行駛，若適用于整斷面進(jìn)行承載能力評定，直接可以對荷載效應(yīng)進(jìn)行對比，這將大大簡化計(jì)算，提高工作效率。但對于裝配式結(jié)構(gòu)，在計(jì)算設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)時(shí)，首先需要設(shè)定車輛通行時(shí)的行駛區(qū)域，進(jìn)而計(jì)算最大的橫向分布系數(shù)，同時(shí)要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定沖擊系數(shù)，綜合確定設(shè)計(jì)荷載。對大件運(yùn)輸車輛的荷載效應(yīng)，同樣需要考慮設(shè)定行駛區(qū)域，從而確定大件運(yùn)輸車輛通行時(shí)橫向分布系數(shù)，并考慮一定的荷載安全系數(shù)，從而確定大件運(yùn)輸車輛荷載效應(yīng)。

荷載效應(yīng)比較法，僅需要計(jì)算汽車荷載效應(yīng)和超重車荷載效應(yīng)，通過比較得到能夠滿足通行或可能不滿足通行的結(jié)論。該方法無需計(jì)算結(jié)構(gòu)抗力，也可以用于設(shè)計(jì)資料不全的橋梁。若超重車效應(yīng)小于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，結(jié)構(gòu)肯定能夠滿足通行，若結(jié)論為超重車效應(yīng)大于汽車荷載效應(yīng)，也不能判定結(jié)構(gòu)不能滿足通行，還需要按照實(shí)際荷載驗(yàn)算作出進(jìn)一步判斷，同時(shí)對于三類及以下技術(shù)狀況較差的橋梁不宜采用，荷載效應(yīng)比較法僅能作為初步判斷。

2.3 修正的等代荷載法

就廣義而言，等代荷載法就是在同一跨徑用同一種影響線分別計(jì)算出大件運(yùn)輸車輛和標(biāo)準(zhǔn)車的等代荷載，將兩者進(jìn)行比較，以判別大件運(yùn)輸車輛能否安全通過橋梁或橋梁是否需要進(jìn)行加固[5]。等代荷載可以看做效果相同或近似的荷載間的代換，例如用均布荷載來代替密集的人群荷載，而公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)車輛的等代荷載通常指用滿布的均勻荷載來代替其他形式的荷載，例如集中荷載。而目前橋梁計(jì)算中，占絕大多數(shù)的中小跨徑橋梁，不管是現(xiàn)澆箱梁，還是裝配式板梁橋，均需要考慮荷載的橫向分布，把對整橋承載力的評定轉(zhuǎn)化為單梁的承載力評定。

修正的等待荷載判別法指考慮大件運(yùn)輸車輛和設(shè)計(jì)荷載的橫向分布系數(shù)、沖擊系數(shù)、荷載安全系數(shù)等因素條件下，在同一跨徑或荷載長度用同一影響線分別計(jì)算出超重車和標(biāo)準(zhǔn)車（設(shè)計(jì)荷載）的等代荷載，并將兩者比較，從而判定大件運(yùn)輸車輛能否安全通過橋梁[6]。由于目前大多數(shù)橋梁均采用了裝配式結(jié)構(gòu)，因此需要根據(jù)橋梁圖紙計(jì)算橫向分布、沖擊系數(shù)等。修正的等代荷載法并不能有效簡化計(jì)算，同時(shí)在選擇影響線計(jì)算方法時(shí)要考慮到大件運(yùn)輸車輛和標(biāo)準(zhǔn)車輛（車道）的區(qū)別，有時(shí)反而會放大計(jì)算誤差。因此，修正的等代荷載法并不能有效簡化計(jì)算，和荷載效應(yīng)比較法相同。同時(shí)修正的等待荷載法未能克服荷載效應(yīng)比較法的局限，不能對通行能力作出最終判斷，僅能作為初步判斷，按照修正等代荷載比較法判定為不具通行權(quán)的橋梁，仍需按照實(shí)際荷載驗(yàn)算法進(jìn)行最終的承載能力判定。

2.4 荷載試驗(yàn)法

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）有關(guān)內(nèi)容，通過實(shí)際荷載檢算分析確定橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的作用效應(yīng)大于抗力效應(yīng)且超過幅度在20% 以內(nèi)的橋梁，可預(yù)判結(jié)構(gòu)承載能力存在不滿足要求的可能性。由于在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，材料參數(shù)取值等均留有一定的安全儲備，若想檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際承載能力，應(yīng)通過荷載試驗(yàn)進(jìn)一步評定。荷載試驗(yàn)法既能檢驗(yàn)大件運(yùn)輸車輛是否能夠通行，又能對結(jié)構(gòu)裂縫情況進(jìn)行觀測，同時(shí)還能較為準(zhǔn)確評定結(jié)構(gòu)的安全儲備情況。但評定較為復(fù)雜，通常需要大量設(shè)備儀器、短時(shí)間中斷交通，試驗(yàn)費(fèi)用較高。

3 通行能力評估結(jié)果的分類

必須綜合考慮上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)綜合評定橋梁結(jié)構(gòu)的通行能力。根據(jù)評估結(jié)果得出運(yùn)輸沿線橋梁是否具有通行權(quán)、是否需要設(shè)定條件、是否需要橫向限定通行區(qū)域，還是要求超重車輛嚴(yán)格按照指定路線行駛，由此將通行權(quán)判定結(jié)果進(jìn)行分類：（1）任意通行：通過對上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，超重車通過橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，超重車產(chǎn)生的荷載效應(yīng)均小于抗力，結(jié)構(gòu)安全儲備充足，超重車輛通行橋梁時(shí)，無需對行駛位置進(jìn)行限定。（2）條件通行：綜合橋梁檢測和承載力驗(yàn)算結(jié)果，超重車輛必須在指定區(qū)域或嚴(yán)格按照指定位置行駛。（3）喪失通行權(quán)：根據(jù)橋梁檢測或承載力驗(yàn)算結(jié)果，橋梁結(jié)構(gòu)不能滿足超重車通行。

4 結(jié)語

大件運(yùn)輸中橋梁承載力評價(jià)是系統(tǒng)工程，面對沿線眾多橋梁，必須注意分類總結(jié)，理清檢測評定思路，綜合運(yùn)用各種承載力評定方法，既要關(guān)注理論計(jì)算，又要掌握橋梁實(shí)際病害和特點(diǎn)，確保大件運(yùn)輸科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)完成。