大件運輸車通過臨時鋼棧橋的安全評估

鄭德糧

（北京九通衢檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100070）

1 引言

大件運輸車輛的荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中規(guī)定的荷載效應(yīng)，車輛過橋其安全性是非常重要的問題。采用科學(xué)、合理的過橋安全評估方案，判定橋梁的承載力狀況，是整個大件運輸過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

許多學(xué)者對大件運輸車過橋問題進(jìn)行了研究。劉堯[1]對大件運輸車的路線選擇、公路橋梁承載能力評估檢算方法、荷載試驗評估方法和橋梁加固方法進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了實際工程驗證。楊寧[2]提出了依靠“危險截面撓度法”來驗算大件運輸車輛過公路橋的可行性。李智斌[3]對中小跨徑PC 簡支梁公路橋大件運輸荷載控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，提出了既有橋梁大件運輸?shù)暮奢d控制標(biāo)準(zhǔn)。Liu Simeng[4]針對拱橋開發(fā)了一種配種平衡技術(shù)，將經(jīng)過計算的輔助載荷放置在結(jié)構(gòu)上，而不用采用增加截面進(jìn)行加固，證明重型車輛可以通過橋梁，為大件運輸車通過拱橋提供了有效方案。姚明強[5]介紹了基于大件運輸?shù)墓窐蛄和ㄟ^性及通行方法研究，重點對大件運輸路線的選擇、橋梁的承載力評定情況和承載能力不足的橋梁加固方法進(jìn)行了全面的研究。劉波等[6]對運輸過程中的公路橋梁的動力響應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測，并利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了求解，研究成果對研究大型物件過橋時車橋耦合振動具有重要借鑒意義。趙慶云等[7]通過荷載效應(yīng)比較法建立橋梁快速評估數(shù)據(jù)庫，形成不同設(shè)計荷載、不同結(jié)構(gòu)型式的常規(guī)橋梁的超重系數(shù)圖譜，為開發(fā)大件運輸通行橋梁快速評估系統(tǒng)提供算法基礎(chǔ)。孫玉[8]闡述了大件運輸?shù)目傮w思路，分析了幾種常用評估方法的原理、優(yōu)缺點及適用條件，并對通行能力評估結(jié)果進(jìn)行了合理分類。劉林[9]針對大件運輸車輛對經(jīng)過的橋梁是否造成損害及損害程度問題，分別從橋梁承載能力和可靠度評估角度，對梁橋技術(shù)狀況和可靠度指標(biāo)等進(jìn)行了評估分析。

可以看出，現(xiàn)有研究主要針對公路橋梁，缺少大件運輸車通過臨時鋼棧橋的研究。本文依托風(fēng)力發(fā)電機組大件運輸車通過黃巖區(qū)長決線黃永橋旁的臨時鋼棧橋項目，對大件運輸車通過臨時鋼棧橋的安全評估進(jìn)行了研究。

2 工程概況

為了開發(fā)浙江省黃巖地區(qū)的風(fēng)能資源，擬安裝2000kW 的風(fēng)力發(fā)電機組，將發(fā)電機組零件運往目的地，需經(jīng)過黃巖區(qū)長決線黃永橋旁的臨時鋼棧橋。該橋為2016 年建造完成，一期工程運輸之后將該橋梁封閉。為了本工程的正常運輸，通過橋梁現(xiàn)狀調(diào)查及承載能力驗算，評價臨時鋼棧橋結(jié)構(gòu)在運輸車輛荷載作用下的工作情況，并確定車輛的最佳行車軌跡（圖1～圖3）。

圖1 鋼棧橋右側(cè)立面示意圖（cm）

圖2 鋼棧橋平面示意圖（cm）

圖3 鋼棧橋橫斷面示意圖（cm）

鋼棧橋全橋為鋼構(gòu)件焊接而成，上部結(jié)構(gòu)采用縱橫梁格結(jié)構(gòu)，56b工字鋼主梁為主要受力構(gòu)件，1跨～5跨（從右至左編號）每跨縱向布置7 根，第6 跨縱向布置5根。工字鋼縱梁上架設(shè)20b工字鋼橫梁，上鋪鋼板作為橋面。橋梁下部結(jié)構(gòu)為鋼管柱和56b 工字鋼橫梁作為橋墩，每個橋墩設(shè)置3 根鋼管柱，墩柱鋼板厚度為15mm，內(nèi)灌注混凝土。橋面鋪裝層鋪設(shè)8mm鋼板。

3 運輸車輛概況

經(jīng)對運輸車方案比選，本次運輸車輛采用后六線十二軸平板車。運輸車輛總長29m，寬度3m。運輸車輛重42t，運輸貨物重78t，總重為120t，2M 風(fēng)機葉片實際轉(zhuǎn)盤到后輪長24m（圖4）。

圖4 運輸車輛及荷載分布示意圖（cm）

4 鋼棧橋現(xiàn)狀調(diào)查

上部構(gòu)件主要病害為全橋主梁構(gòu)件涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，構(gòu)件表面發(fā)生輕微銹蝕。下部主要病害為橋墩柱頂橫梁構(gòu)件涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，構(gòu)件表面發(fā)生輕微銹蝕，立柱表面涂層少量剝落，2#、3#立柱底部受火熏黑，損傷程度輕微。橋墩混凝土基礎(chǔ)主要病害為橋墩混凝土基礎(chǔ)沖刷，2#墩混凝土基礎(chǔ)出現(xiàn)掏空，掏空深度為0.5m，3#墩混凝土基礎(chǔ)出現(xiàn)輕微沖刷，未見掏空，4#墩混凝土基礎(chǔ)下游側(cè)出現(xiàn)輕微沖刷，掏空深度0.2m。橋面主要病害為橋面鋼板表面出現(xiàn)輕微銹蝕，3塊鋼板與橫向分配梁出現(xiàn)多處焊縫脫落，1塊鋼板隆起變形。

5 承載能力檢算

5.1 驗算模型

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)尺寸以及平面位置，利用Midas civil建立本鋼棧橋的分析模型。主梁采用I56b 工字鋼截面，橫向分配梁采用I20b 工字鋼，樁頂分配梁采用三榀I56b 工字形截面。橋墩采用700mm×15mm 鋼管樁，偏安全不考慮內(nèi)部混凝土（圖5）。

圖5 鋼棧橋計算模型

邊界條件：鋼管墩底采用固結(jié)，三榀I56b 橫梁與主梁以及主梁與I20b 橫向分配梁采用彈性連接，橋梁兩側(cè)與橋臺采用固定線位移釋放轉(zhuǎn)動。

荷載包括自重、橋面鋼板重量、運輸車荷載。運輸車行車道按照中載、內(nèi)偏載與外偏載三種方式布置：中載為沿著橋梁中心線行使，內(nèi)偏載為運輸車靠內(nèi)側(cè)行駛，內(nèi)側(cè)車輪距離橋梁內(nèi)側(cè)邊線1m；外偏載為運輸車靠近外側(cè)行駛，外側(cè)車輪距離橋梁外側(cè)邊線為1m（圖6）。

圖6 車道布置情況

考慮到此橋為臨時結(jié)構(gòu)，承載能力極限狀態(tài)基本組合為：1.2自重+1.4運輸車荷載；正常使用極限狀態(tài)驗算采用標(biāo)準(zhǔn)值組合為：1.0自重+1.0運輸車荷載。

5.2 車道位置對結(jié)構(gòu)受力的影響

依據(jù)內(nèi)側(cè)、中間、外側(cè)三個車道位置下的主梁應(yīng)力，對車道位置進(jìn)行了分析，三個車道位置下，運輸車產(chǎn)生的應(yīng)力如圖7～圖9所示。

圖7 運輸車沿著內(nèi)側(cè)行駛下的主梁應(yīng)力

圖8 運輸車沿著中間行駛下的主梁應(yīng)力

圖9 運輸車沿著外側(cè)行駛下的主梁應(yīng)力

由圖7～圖9 可以看出，大件運輸車沿著臨時鋼棧橋內(nèi)側(cè)車道行駛時，主梁的最大應(yīng)力為114.2MPa；沿著臨時鋼棧橋中間車道行駛時，主梁的最大應(yīng)力為113.7MPa；沿著臨時鋼棧橋外側(cè)車道行駛時，主梁的最大應(yīng)力為135.9MPa。由于橫向分配梁I20b 的剛度較小，導(dǎo)致主梁受力不均，沿著中間行駛最為安全，因此按照車輛沿著橋梁中心線行駛進(jìn)行驗算。

5.3 橋面板強度驗算

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時第2跨～第5 跨橋面板應(yīng)力相近第1 跨，第6 跨橋面板最大應(yīng)力較小，各跨橋面板最大正應(yīng)力為90.5MPa。由于橋面鋼板除了表面出現(xiàn)輕微銹蝕還存在3 塊鋼板與橫向分配梁出現(xiàn)多處焊縫脫落、1 塊鋼板隆起變形。依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2條[10]，橋面板缺損狀況評定標(biāo)度為3，Z1取值0.9，橋面板鋼材為Q235b，容許應(yīng)力為190MPa，檢算容許應(yīng)力為：Z1[σ]=0.9×190MPa=171 MPa。橋面板最大正應(yīng)力90.5MPa＜171MPa，強度滿足要求（圖10）。

圖10 中間車道位置行駛時各跨橋面板應(yīng)力

5.4 橋面橫向分配梁強度驗算

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時第2跨～第5跨橋面I20b橫向分配梁的受力狀態(tài)相近，且最大應(yīng)力大于1 跨、第6 跨I20b 橫向分配梁的最大應(yīng)力，橋面I20b 橫向分配梁的最大應(yīng)力為142.5MPa。橫向分配梁普遍存在涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2條[10]，I20b 橫向分配梁缺損狀況評定標(biāo)度為2，Z1取值0.95，I20b 橫向分配梁鋼材為Q235b，容許應(yīng)力為190MPa，檢算容許應(yīng)力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。橋面I20b橫向分配梁的最大應(yīng)力142.5MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求（圖11）。

圖11 中間車道位置行駛時橋面橫向分配梁應(yīng)力

5.5 主梁強度驗算

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時主梁最不利斷面出現(xiàn)在第2跨～第5跨，I56b主梁的最大應(yīng)力為175.3MPa。主梁普遍存在涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 條[10]，主梁缺損狀況評定標(biāo)度為2，Z1取值0.95，I56b主梁鋼材為Q235b，容許應(yīng)力為190MPa，檢算容許應(yīng)力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。I56b 主梁的最大應(yīng)力175.3MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求，但主梁最大應(yīng)力已接近檢算容許應(yīng)力，安全儲備較?。▓D12）。

圖12 中間車道位置行駛時主梁應(yīng)力基本組合

5.6 墩頂橫向分配梁強度驗算

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時墩頂橫向分配梁最不利斷面在5#墩外側(cè)兩個立柱之間，最大正應(yīng)力為32.8MPa。墩頂橫向分配梁普遍存在涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 條[10]，墩頂橫向分配梁缺損狀況評定標(biāo)度為2，Z1取值0.95，墩頂橫向分配梁鋼材為Q235b，容許應(yīng)力為190MPa，檢算容許應(yīng)力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。墩頂橫向分配梁的最大應(yīng)32.8MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求（圖13）。

圖13 中間車道位置行駛時墩頂橫向分配梁應(yīng)力

5.7 橋墩強度與穩(wěn)定性驗算

承載能力極限狀態(tài)下，橋墩的應(yīng)力如圖14所示。

圖14 中間車道位置行駛時各墩柱應(yīng)力

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時墩柱最大正應(yīng)力出現(xiàn)在5#墩中間立柱，最大正應(yīng)力為42.3MPa。墩柱普遍存在涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 條[10]，墩柱缺損狀況評定標(biāo)度為2，Z1取值0.95，墩柱鋼材為Q235b，容許應(yīng)力為190MPa，檢算容許應(yīng)力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。墩柱的最大應(yīng)力42.3MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求。

圖15 中間車道位置行駛時各墩柱支反力

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時最大支反力F 出現(xiàn)在5#墩中間立柱，為609kN。鋼管橋墩采用Φ700mm×15mm，抗彎慣性矩l=1.29×10-3m4，采用Q235 鋼，σp=200MPa，σs=235MPa，E=210GPa，按保守采用最長樁長l=10m 作為計算長度，長度系數(shù)u 取1，驗算鋼管樁的失穩(wěn)臨界力Fcr。

①計算λ：

式中，A 為單根鋼管橋墩橫截面面積，m2；i 為慣性半徑；λ為鋼管橋墩長細(xì)比。

②判斷壓桿類型：

由于λ＜λo，所以橋墩為小柔度桿。

③計算Fcr：

④計算安全系數(shù)n：

式中，nw為安全系數(shù)最小允許值。

因此可以得出，鋼管墩的穩(wěn)定性滿足要求。

5.8 撓度驗算

運輸車荷載下橋梁的變形如圖16所示。

圖16 中間車道位置行駛時主梁撓度

經(jīng)驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時第2跨～第5 跨主梁撓度較大，其中第5 跨撓度最大，最大撓度值為18.9mm，依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）第4.2.3 條[11]，豎向撓度限值為l/500，最大撓度值為18.9mm ＜10000/500=20mm，滿足剛度要求。

6 結(jié)語

通過大件運輸車輛的真實荷載，在有限元分析的基礎(chǔ)上，對過橋路線選擇和承載能力進(jìn)行了檢算安全評估。檢算結(jié)果顯示，大件運輸車輛沿臨時鋼棧橋中心線行駛時主梁正應(yīng)力最小，在主梁正應(yīng)力最小情況下，橋面板計算強度、橋面橫向分配梁計算強度、主梁計算強度、墩頂橫向分配梁計算強度、橋墩計算強度與穩(wěn)定性均滿足要求，主梁計算跨中撓度在容許范圍之內(nèi)，發(fā)電機組大件運輸車能夠安全通過此臨時鋼棧橋。

臨時鋼棧橋是風(fēng)力發(fā)電機組運輸項目“最后一公里”的重要解決方案，本文對大件運輸車輛通過臨時鋼棧橋的車道位置進(jìn)行了比選，選出最優(yōu)位置，結(jié)合橋梁材質(zhì)和狀況檢查對各檢算項目進(jìn)行容許應(yīng)力修正，并進(jìn)行了驗算分析，對同類項目具有一定的參考和借鑒意義。