大件車載下空心板橋受力性能分析與快速評(píng)估

劉 韜，陳鵬濤，上官煜

(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)，陜西 西安 710064)

0 引言

大件運(yùn)輸車輛是指載運(yùn)大體積、不可解體物品的特殊車輛，通常具有超長(zhǎng)、超寬、超高或超重的特點(diǎn)，包括幾何尺寸超限和車質(zhì)量超限2種類型[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大件運(yùn)輸車輛通行頻次顯著提升，對(duì)大件運(yùn)輸車輛通行審批時(shí)效性提出了更高的要求?？招陌鍢蛄涸谖覈?guó)交通路網(wǎng)中占比較高，且其鉸縫在運(yùn)營(yíng)其內(nèi)易出現(xiàn)不同程度的損傷，考慮該類橋梁的鉸縫損傷，分析其在大件運(yùn)輸車載下的受力性能，并建立快速評(píng)估方法，對(duì)提升大件運(yùn)輸車輛通行審批效率意義顯著。

目前，已有不少學(xué)者對(duì)大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋開(kāi)展了相關(guān)研究。孫玉[2]、周廣利[3]、邵永軍[4]、郭瑾[5]等對(duì)大件運(yùn)輸中橋梁通行能力進(jìn)行了分析；李浩恒[6]、丁曉婷[7]、趙建峰[8]等對(duì)大件運(yùn)輸沿線橋梁承載能力的評(píng)估方法進(jìn)行了相關(guān)研究；袁陽(yáng)光[9]、賈旭東[10]等基于安全性與正常使用性能對(duì)大件車輛過(guò)橋進(jìn)行了研究并提出相應(yīng)的評(píng)估方法；陳海威[11]、崔鑫[12]等對(duì)大件運(yùn)輸條件下的空心板橋承載力的評(píng)定進(jìn)行了研究。盡管國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于大件運(yùn)輸車輛過(guò)橋評(píng)估方法進(jìn)行了深入研究，但很少有學(xué)者從線路級(jí)橋梁結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出關(guān)于線路級(jí)大件運(yùn)輸車輛快速評(píng)估方法。

鑒于以上現(xiàn)狀，首先針對(duì)國(guó)內(nèi)多條高速公路的空心板橋梁信息，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析；其次，基于多省的大件運(yùn)輸車輛通行信息，提取出2種大件運(yùn)輸車輛加載模型；最后，采用2種大件運(yùn)輸車輛加載模型分析空心板橋梁各參數(shù)對(duì)荷載效應(yīng)產(chǎn)生的影響，據(jù)此建立在大件運(yùn)輸車輛通行過(guò)程中的線路級(jí)空心板橋梁遴選準(zhǔn)則。

1 公路空心板橋梁組成統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)我國(guó)3個(gè)省份10條高速公路的2 148座橋梁構(gòu)造物信息開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其中空心板橋梁有1 065座，占比49.6%(見(jiàn)圖1)，預(yù)應(yīng)力空心板橋梁共783座，在空心板橋梁中占比73.52%；鋼筋混凝土空心板橋梁共275座，在空心板橋梁中占比25.82%。進(jìn)一步對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板橋梁的構(gòu)造信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其跨徑主要為13、16和20 m，分別占比22.7%、37.7%、29.0%(見(jiàn)圖2)。鋼筋混凝土空心板橋梁的跨徑主要為5、8、10和13m，分別占比23.6%、30.9%、24.0%、10.9%(見(jiàn)圖3)。在結(jié)構(gòu)體系方面，大多數(shù)空心板橋梁為橋面連續(xù)的簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。

圖1 不同橋型占比

圖2 預(yù)應(yīng)力空心板橋梁中不同跨徑占比

圖3 鋼筋混凝土空心板橋梁中不同跨徑占比

2 基于大件運(yùn)輸車輛數(shù)據(jù)的空心板橋梁加載模型

根據(jù)我國(guó)3個(gè)省份在大件運(yùn)輸車輛通行審批工作中記錄的車輛數(shù)據(jù)，提取適用于空心板橋梁的加載模型。大件運(yùn)輸車輛對(duì)空心板橋梁的加載具有典型的“車長(zhǎng)橋短”特征，通過(guò)對(duì)比所記錄大件運(yùn)輸車輛軸載間距與空心板橋梁的跨徑，發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況下大件運(yùn)輸車輛通行過(guò)程中，軸載均能沿縱向布滿空心板橋梁。故將滿布加載作為大件運(yùn)輸車輛對(duì)空心板橋梁的典型加載形式，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際大件運(yùn)輸車輛的軸型，提取出2種典型加載模型，如圖4所示。

(a) 加載模型1

3 典型空心板橋梁與有限元模型建立

3.1 典型空心板橋梁遴選

根據(jù)第2節(jié)的統(tǒng)計(jì)分析成果，遴選用于受力性能分析的典型空心板橋梁，以簡(jiǎn)支鋼筋混凝土空心板橋梁(RCS)和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁(PCS)為研究對(duì)象，所選8座橋梁具體信息見(jiàn)表1,橋梁橫斷面圖見(jiàn)圖5。

表1 典型橋梁信息Table 1 Typical bridge information截面形狀橋梁ID跨徑/m橋?qū)?m梁寬/m梁高/m技術(shù)狀況等級(jí)RCS5512.831.240.451RCS6612.831.240.452RCS8812.831.240.452RCS101012.831.240.451PCS101012.831.240.61PCS131312.831.240.62PCS161612.831.240.61PCS202012.831.240.61

(a) 鋼筋混凝土空心板

3.2 空心板橋梁有限元模型

運(yùn)用Midas Civil有限元分析軟件，采用單梁法并引入橫向分布系數(shù)概念建立空心板梁橋的模型，并且在建模時(shí)相應(yīng)的橋梁均輸入了普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束。對(duì)于裝配式簡(jiǎn)支梁(板)橋設(shè)計(jì)計(jì)算，橫向分布系數(shù)的引入將空間受力問(wèn)題簡(jiǎn)化為單梁(板)的計(jì)算問(wèn)題，構(gòu)件的承載能力驗(yàn)算通常控制單梁的荷載效應(yīng)或結(jié)構(gòu)抗力[13-14]。

4 空心板橋梁鉸縫損傷考慮方法與橫向分布系數(shù)

對(duì)于所選擇的典型空心板橋梁，首先根據(jù)設(shè)計(jì)信息，采用杠桿法與鉸接板梁法計(jì)算橫向分布系數(shù)，見(jiàn)表2。進(jìn)一步引入鉸縫損傷系數(shù)，考慮不同的鉸縫損傷程度，鉸縫損傷后的橫向分布系數(shù)計(jì)算方法為：設(shè)計(jì)橫向分布系數(shù)×(1+鉸縫損傷系數(shù))[15-16]。

表2 典型空心板橋梁橫向分布系數(shù)Table 2 Transverse distribution coefficient of typical hol-low slab bridge橋梁ID加載模型加載模型1加載模型2RCS50.2380.222RCS60.2120.200RCS80.1760.169RCS100.1550.150PCS100.1550.150PCS130.1350.132PCS160.1240.122PCS200.1150.114

5 大件運(yùn)輸車載下考慮鉸縫損傷等級(jí)的空心板梁橋受力性能分析

5.1 車輛的加載工況

根據(jù)《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》的規(guī)定大件運(yùn)輸車輛必須居中行駛，因此對(duì)于Midas Civil有限元分析軟件其車道荷載的布置為了與大件運(yùn)輸車輛實(shí)際作用形式相符合，在上述空心板梁橋模型中大件運(yùn)輸車輛均按居中形式加載且設(shè)為單車道同時(shí)不計(jì)入沖擊系數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)考慮為公路-Ⅰ級(jí)按單車道居中形式布置并計(jì)入沖擊系數(shù)。

5.2 空心板橋梁受力性能分析

按照實(shí)際空心板橋梁布置圖建立主梁間距1.25 m、主梁片數(shù)10片、單跨跨徑為5、6、8、10 m的鋼筋混凝土空心板梁橋(RCS)和單跨跨徑為10、13、16、20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋(PCS)，根據(jù)Midas Civil有限元模型，對(duì)比相應(yīng)加載模型與設(shè)計(jì)車輛作用下的荷載效應(yīng)比值，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

(a) 加載模型1(RCS)

根據(jù)圖6分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

a.加載模型1和加載模型2對(duì)鋼筋混凝土空心板橋梁(RCS)的荷載效應(yīng)隨跨徑增加均呈增大趨勢(shì)，且跨徑小于10 m時(shí)均由剪力控制空心板橋梁受力性能，當(dāng)跨徑達(dá)到10 m后空心板橋梁的受力性能變?yōu)橛烧龔澗乜刂疲蕛H需對(duì)最大跨徑的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板進(jìn)行大件運(yùn)輸車輛通行可行性評(píng)估。

b.加載模型1和加載模型2對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁(PCS)的荷載效應(yīng)隨跨徑增加呈增大趨勢(shì)，且空心板橋梁的受力性能均由正彎矩控制，隨著跨徑的增大，正彎矩與剪力的差值逐漸變大，故僅需對(duì)最大跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板進(jìn)行大件運(yùn)輸車輛通行可行性評(píng)估。

c.隨著軸重的增加，加載模型對(duì)空心板橋梁的荷載效應(yīng)相應(yīng)增大，故在評(píng)估多種大件運(yùn)輸車輛通行可行性時(shí)僅需對(duì)軸重最大者進(jìn)行評(píng)估即可。

根據(jù)圖7對(duì)不同跨徑空心板橋梁在不同加載模型下的荷載效應(yīng)比值分析結(jié)果，鋼筋混凝土空心板橋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁隨著跨徑增加對(duì)大件運(yùn)輸車輛荷載的改變也更敏感。

(a) RCS

5.3 考慮鉸縫損傷的空心板橋梁受力性能

根據(jù)表2中空心板間鉸縫損傷程度不同導(dǎo)致橫向分布系數(shù)的變化，并通過(guò)有限元分析得到鉸縫損傷對(duì)空心板橋梁受力性能的影響結(jié)果如圖8所示。

(a) 加載模型1

根據(jù)圖8分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

a.在考慮空心板橋梁間的鉸縫損傷后，隨著鉸縫間損傷程度的增加加載模型1和加載模型2對(duì)空心板橋梁的荷載效應(yīng)比值均呈線性增長(zhǎng)，且無(wú)論鉸縫損傷程度如何,大件運(yùn)輸車輛對(duì)于鋼筋混凝土空心板橋梁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁的荷載效應(yīng)比值分別其對(duì)應(yīng)的最大跨徑處取最大值，故僅需對(duì)鉸縫損傷程度最高的最大跨徑空心板進(jìn)行大件運(yùn)輸車輛通行評(píng)估即可。

b.對(duì)于混凝土空心板橋梁，隨鉸縫損傷程度的增加加載模型1和加載模型2對(duì)空心板橋梁的正彎矩效應(yīng)逐漸超過(guò)其剪力效應(yīng)，故對(duì)鋼筋混凝土空心板橋梁進(jìn)行大件運(yùn)輸車輛通行可行性評(píng)估時(shí)，應(yīng)更關(guān)注其鉸縫損傷對(duì)空心板橋梁的受力影響。

6 大件運(yùn)輸車載下線路級(jí)空心板橋梁快速評(píng)估方法

6.1 關(guān)鍵空心板橋梁遴選準(zhǔn)則

為實(shí)現(xiàn)線路級(jí)大件運(yùn)輸車輛通行可行性快速評(píng)估，基于第5節(jié)的分析結(jié)果建立大件運(yùn)輸車輛通行評(píng)估的控制性空心板橋梁的遴選準(zhǔn)則，見(jiàn)圖9。首先分析待通行大件運(yùn)輸車輛的荷載特性，選擇與大件運(yùn)輸車輛最為接近的加載模型，進(jìn)而開(kāi)展控制性空心板橋梁遴選；其次在進(jìn)行控制性空心板橋梁遴選時(shí)，分為鋼筋混凝土簡(jiǎn)支空心板(RCS)和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板(PCS)，確定待評(píng)估大件運(yùn)輸車輛的控制性橋梁的跨徑；最后，進(jìn)一步選擇鉸縫損傷系數(shù)較大的橋梁作為控制性橋梁。

圖9 大件運(yùn)輸車載下線路級(jí)空心板橋梁遴選體系

6.2 荷載效應(yīng)評(píng)估

針對(duì)遴選出的控制性空心板橋梁，還需對(duì)其進(jìn)行荷載效應(yīng)評(píng)估才可明確大件運(yùn)輸車輛的通行性，荷載效應(yīng)評(píng)估應(yīng)控制大件運(yùn)輸車輛產(chǎn)生的荷載效應(yīng)不超過(guò)規(guī)定限值，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]提出的荷載效應(yīng)評(píng)估公式，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改得到式(1)荷載效應(yīng)評(píng)估公式：

(1)

式中：γd為大件運(yùn)輸車輛荷載分項(xiàng)系數(shù)；mcd為大件車輛橫向分布系數(shù)；SQd為大件運(yùn)輸車輛荷載效應(yīng)；γq為設(shè)計(jì)汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)；mc為設(shè)計(jì)汽車橫向分布系數(shù)；SQ為設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)；μ為設(shè)計(jì)汽車沖擊系數(shù)；φd為橋梁承載能力折減系數(shù)。

6.3 案例分析

以某省高速公路(總橋梁699座，其中空心板橋梁323座，占比46%)為研究對(duì)象，展開(kāi)工程實(shí)用性分析，檢驗(yàn)快速評(píng)估方法的可行性。其中橋梁信息見(jiàn)表3。

表3 橋梁信息Table 3 Bridge information跨徑組合材料類型數(shù)量/座10鋼筋混凝土52預(yù)應(yīng)力混凝土213預(yù)應(yīng)力混凝土4616預(yù)應(yīng)力混凝土11920預(yù)應(yīng)力混凝土9622.5預(yù)應(yīng)力混凝土8

根據(jù)遴選準(zhǔn)則篩選出2座控制性空心板橋梁，分別為10 m跨徑的鋼筋混凝土空心板和22.5 m的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁。根據(jù)相關(guān)有限元分析結(jié)果和式(1)可得在加載模型2作用下的荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)車輛的荷載效應(yīng)比值見(jiàn)圖10。

圖10 大件運(yùn)輸車輛荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)于在加載模型2的作用下PCS10和RCS22.5其荷載效應(yīng)比值均低于1.386，因此判定加載模型2具有通行權(quán)可通過(guò)該線路所有橋梁。

7 結(jié)論

根據(jù)3省大件運(yùn)輸車輛審批數(shù)據(jù)和10條高速公路橋梁信息，分析典型加載模型和遴選控制性橋梁，分析各加載模型對(duì)空心板橋梁的響應(yīng)規(guī)律，建立了線路級(jí)大件運(yùn)輸車載作用下空心板橋梁的快速遴選準(zhǔn)則和評(píng)估方法，主要的到以下結(jié)論：

a.對(duì)于簡(jiǎn)支空心板橋梁，加載模型1與加載模型2對(duì)其產(chǎn)生的荷載效應(yīng)變化趨勢(shì)相同，僅因?yàn)檩S重不同而產(chǎn)生不同數(shù)值，因此出于安全考慮僅采用軸重較重的加載模型2對(duì)其進(jìn)行評(píng)估即可。

b.對(duì)于空心板橋梁，當(dāng)其為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)空心板的受力性能隨跨徑增加逐漸由剪力控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛烧龔澗乜刂?，而?duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)其受力性能始終由彎矩控制并且隨跨徑增大正彎矩與剪力的差值也越大。

c.對(duì)于空心板間的鉸縫損傷程度會(huì)影響其荷載效應(yīng)比值，并且隨著損傷程度的增加對(duì)橋梁受力也更不利，同時(shí)鋼筋混凝土空心板橋梁的受力性能也逐漸由正彎矩控制。

d.通過(guò)相關(guān)研究，提出了大件運(yùn)輸車載下空心板橋梁的快速評(píng)估方法并應(yīng)用于工程實(shí)例，通過(guò)遴選控制橋梁對(duì)線路級(jí)的空心板橋梁進(jìn)行評(píng)估，大幅提高了評(píng)估效率，為大件運(yùn)輸車輛的通行提供了可靠的依據(jù)，但并未考慮空心板橋梁正常使用階段的性能，未來(lái)可進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。