大件運(yùn)輸車(chē)輛通行橋梁安全評(píng)估與監(jiān)測(cè)

郭東升

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

隨著經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，大件運(yùn)輸項(xiàng)目數(shù)量迅速增多，為了保證車(chē)輛的安全通行與橋梁的使用性能，對(duì)于大件運(yùn)輸車(chē)輛通行橋梁的安全評(píng)估與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求也日益增長(zhǎng)[1]。

目前常用的大件運(yùn)輸車(chē)輛通行橋梁承載能力評(píng)估方法有等代荷載判別法和實(shí)際荷載檢算法，然而以上兩種方法均建立在“認(rèn)為橋梁運(yùn)營(yíng)多年后的受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)完全一致，不存在結(jié)構(gòu)損傷”的假設(shè)上，顯然這種假設(shè)是不成立的，于是提出一種承載能力修正后的實(shí)際荷載檢算方法[2-4]。采用上述三種方法對(duì)工程實(shí)例橋梁進(jìn)行評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果與橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，分析三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性。

1 項(xiàng)目概況

某大件運(yùn)輸車(chē)輛的車(chē)貨總重為356t(大件車(chē)-356)，其中牽引車(chē)輛重35t，大件車(chē)貨重321t。大件運(yùn)輸公司提供大件車(chē)輛的軸距、輪距及軸載。該大件運(yùn)輸車(chē)輛通行路線共涉及29座橋梁，該段路線橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)-超20級(jí)、掛車(chē)-120，選取某1×10m簡(jiǎn)支空心板橋?yàn)槔?，進(jìn)行安全評(píng)估及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，橋梁橫斷面布置如圖1。橋梁荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 橋梁橫向布置示意圖(單位：mm)

表1 橋梁荷載橫向分布系數(shù)表

2 三種驗(yàn)算方法的橋梁安全評(píng)估

2.1 等代荷載判別法

該方法在同一跨徑(或荷載長(zhǎng)度)用同一種影響線分別計(jì)算出大件車(chē)輛和設(shè)計(jì)及驗(yàn)算荷載效應(yīng)，將兩者進(jìn)行比較，以判別大件車(chē)輛能否安全通過(guò)橋梁，即將大件車(chē)輛對(duì)橋梁產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與通行橋梁原設(shè)計(jì)驗(yàn)算荷載效應(yīng)比較，以此確定大件運(yùn)輸車(chē)輛車(chē)貨總重產(chǎn)生的橋梁荷載效應(yīng)是否小于通行橋梁的設(shè)計(jì)荷載及驗(yàn)算荷載，以判別大件車(chē)輛能否安全通過(guò)橋梁[5-6]。

10m跨徑簡(jiǎn)支空心板橋跨中最大彎矩掛車(chē)-120及大件車(chē)-356加載圖如圖2、圖3。

圖2 跨中截面最大彎矩掛車(chē)-120加載圖

圖3 跨中截面最大彎矩大件車(chē)-356加載圖

10m跨徑簡(jiǎn)支空心板橋支點(diǎn)最大剪力掛車(chē)-120及大件車(chē)-356加載圖如圖4、圖5。

圖4 支點(diǎn)截面最大剪力掛車(chē)-120加載圖

圖5 支點(diǎn)截面最大剪力大件車(chē)-356加載圖

由以上跨中截面最大彎矩、支點(diǎn)截面最大剪力加載圖可求得10m跨徑簡(jiǎn)支空心板橋掛車(chē)-120及大件車(chē)-356內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 等代荷載判別法計(jì)算結(jié)果表

由表2中計(jì)算對(duì)比可知，大件車(chē)-356對(duì)橋梁的荷載效應(yīng)小于原橋掛車(chē)-120荷載效應(yīng)，大件車(chē)可以通行。

2.2 實(shí)際荷載檢算法

該方法計(jì)算大件車(chē)輛對(duì)橋梁產(chǎn)生的荷載效應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算抗彎、抗剪承載能力進(jìn)行對(duì)比，以此判別大件車(chē)輛能否安全通過(guò)所驗(yàn)算橋梁，并能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的剩余安全儲(chǔ)備。

本項(xiàng)目采用梁格法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，為保證模型計(jì)算結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力，模型尺寸、材料、施工過(guò)程等都嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行模擬。計(jì)算大件車(chē)輛荷載效應(yīng)以大件車(chē)實(shí)際軸載分布進(jìn)行加載，不考慮沖擊系數(shù)，荷載組合系數(shù)結(jié)構(gòu)恒載取1.2，大件車(chē)取1.0。計(jì)算結(jié)構(gòu)承載能力不考慮橋面鋪裝參與受力。有限元模型的大件車(chē)實(shí)際荷載檢算結(jié)果見(jiàn)表3，橋梁有限元模型見(jiàn)圖6。

表3 實(shí)際荷載檢算法計(jì)算結(jié)果表

圖6 簡(jiǎn)支空心板橋有限元模型圖

由表3計(jì)算對(duì)比可知，大件車(chē)-356對(duì)橋梁的荷載效應(yīng)小于橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算承載能力，大件車(chē)可以通行。

2.3 修正承載能力檢算法

該方法根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》，基于橋梁結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)橋梁缺損狀況、材質(zhì)強(qiáng)度、橋位環(huán)境、裂縫情況等，引入橋梁檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行修正，并通過(guò)大件車(chē)荷載效應(yīng)與修正后橋梁承載能力比較，判定大件運(yùn)輸車(chē)輛能否通過(guò)橋梁[1]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)橋梁的病害情況，按《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分為78.60分，總體技術(shù)狀況等級(jí)為3類(lèi)。

綜合考慮橋梁構(gòu)件表觀缺損狀況、材質(zhì)強(qiáng)度和橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率確定構(gòu)件承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D，然后根據(jù)承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度得出檢算系數(shù)Z1，具體計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 承載能力檢算系數(shù)(Z1)計(jì)算表

承載能力惡化系數(shù)考慮了構(gòu)件缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、鋼筋保護(hù)層厚度以及混凝土強(qiáng)度、電阻率、氯離子含量和碳化狀況等影響因素，并綜合環(huán)境條件加以確定。具體計(jì)算見(jiàn)表5。

表5 承載能力惡化系數(shù)(ξe)計(jì)算表

綜合考慮材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷三項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)度，確定混凝土截面折減系數(shù)ξc=0.98，根據(jù)空心板出現(xiàn)部分沿鋼筋裂縫情況，確定鋼筋截面折減系數(shù)ξs=0.98?？紤]以上折減系數(shù)修正后的大件車(chē)輛通行橋梁結(jié)構(gòu)承載能力檢算結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6。

表6 修正承載能力檢算法計(jì)算結(jié)果表

3 大件車(chē)通行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

大件車(chē)輛通行橋梁過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)橋梁在大件車(chē)通行時(shí)安全性的最直觀、有效的方法，能夠真實(shí)地反映大件車(chē)荷載效應(yīng)與橋梁承載能力的比值情況[7-10]。本次選取該橋第1-3、1-4、1-5、1-6號(hào)板底跨中處進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖7，撓度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像見(jiàn)圖8，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 第1-3～6號(hào)板時(shí)間-位移曲線

表7 橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，大件車(chē)在通過(guò)橋梁過(guò)程中，跨中撓度實(shí)測(cè)值均小于理論值，且處于彈性變化階段，表明該梁的實(shí)際狀況良好，本次大件車(chē)通行過(guò)程中橋梁處于安全狀態(tài)。

4 對(duì)比分析

基于以上三種驗(yàn)算評(píng)估方法的檢算結(jié)果及大件車(chē)通行過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)大件車(chē)輛荷載效應(yīng)與承載能力的比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖9所示。

圖9 大件車(chē)輛荷載效應(yīng)與承載能力比值統(tǒng)計(jì)

通過(guò)圖9可以看出，三種方法的結(jié)果與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，大件車(chē)輛荷載效應(yīng)與承載能力的比值均大于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明三種方法計(jì)算結(jié)果均能保證結(jié)構(gòu)安全，其中實(shí)際荷載檢算法計(jì)算結(jié)果最接近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，等代荷載判別法計(jì)算結(jié)果最保守，均可用于大件車(chē)輛通行橋梁的結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算。但三種驗(yàn)算方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析總結(jié)見(jiàn)表8。

表8 三種驗(yàn)算方法對(duì)比

5 結(jié)論

針對(duì)大件運(yùn)輸車(chē)輛通行橋梁的安全評(píng)估，在常用的等代荷載判別法和實(shí)際荷載檢算法的基礎(chǔ)上，提出一種承載能力修正后的驗(yàn)算方法。按照三種方法對(duì)大件運(yùn)輸車(chē)輛通行同一橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算評(píng)估，并將計(jì)算結(jié)果與該橋大件運(yùn)輸車(chē)輛通行過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，總結(jié)了三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦了每種方法的適用情況。結(jié)論如下：

(1)三種驗(yàn)算方法均能滿(mǎn)足大件運(yùn)輸車(chē)輛通行橋梁安全評(píng)估驗(yàn)算要求。

(2)等代荷載判別法是計(jì)算大件車(chē)輛荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的比值，實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)承載能力大于設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)，安全評(píng)估周期短。

(3)實(shí)際荷載檢算法以假定橋梁結(jié)構(gòu)處于沒(méi)有任何損傷的狀態(tài)，承載能力與橋梁設(shè)計(jì)時(shí)一致，能夠較準(zhǔn)確地反映大件車(chē)輛荷載效應(yīng)與橋梁承載能力的比值，計(jì)算工作量較大，安全評(píng)估周期較長(zhǎng)。

(4)修正承載能力檢算法引入了檢算系數(shù)、惡化系數(shù)、折減系數(shù)等進(jìn)行承載能力修正，能夠較客觀地反映橋梁承載能力狀態(tài)，但驗(yàn)算前需要進(jìn)行橋梁材質(zhì)狀況檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及計(jì)算工作量大，安全評(píng)估周期長(zhǎng)。

在實(shí)際的大件運(yùn)輸車(chē)輛通行橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算過(guò)程中，可根據(jù)三種驗(yàn)算方法優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行選用。