混凝土連續(xù)梁橋大件運(yùn)輸通行能力評(píng)估分析

■謝 潤(rùn)

（福州市公路事業(yè)發(fā)展橋隧中心，福州 350001）

近年來，隨著我國(guó)電力、能源、交通、冶金等行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，對(duì)大件運(yùn)輸?shù)男枨笤絹碓酱蟆?大件運(yùn)輸中的“大件”是指長(zhǎng)、寬、高超過車輛限界標(biāo)準(zhǔn)，價(jià)值大、形狀復(fù)雜、重量大且不可解體拆分的運(yùn)輸貨物。 影響大件貨物能否順利地運(yùn)往目的地的因素很多，如運(yùn)輸路線的選擇、運(yùn)輸車輛的選擇、過橋安全性等，其中過橋安全性是最關(guān)鍵的因素。 大件運(yùn)輸車輛的荷載效應(yīng)一旦超過橋梁的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)時(shí)，會(huì)對(duì)途經(jīng)橋梁造成較大的影響和損傷，使原有病害進(jìn)一步惡化，大大縮短橋梁的使用壽命。 為了保證大件運(yùn)輸車輛安全通過橋梁，本文在相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上[1-4]，提出大件運(yùn)輸條件下橋梁承載能力驗(yàn)算方法， 并以福州市浦東大橋?yàn)楣こ瘫尘埃?研究混凝土連續(xù)梁橋的大件運(yùn)輸通行能力。

1 項(xiàng)目概況

浦東大橋位于連江江河口，距河口入海口處約2.5 km。大橋起點(diǎn)位于連江鰲江南岸岱江中學(xué)附近，終點(diǎn)位于鰲江北岸浦口鎮(zhèn)。 大橋上部結(jié)構(gòu)型式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁，全橋共分兩聯(lián)，第一聯(lián)橋跨布置為5×35 m（第一跨～第五跨），第二聯(lián)為4×25 m（第六跨～第九跨），總長(zhǎng)291.0 m，主梁采用雙導(dǎo)梁架設(shè)施工。 橋墩為雙柱式墩，橋墩基礎(chǔ)為鉆孔樁，東岱臺(tái)為U 型重力式橋臺(tái)及擴(kuò)大基礎(chǔ)，浦口臺(tái)為肋式臺(tái)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)， 橋頭設(shè)置8.0 m 長(zhǎng)搭板與路基過渡。 橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，全橋立面布置如圖1 所示。該橋位于國(guó)道228 線上，承擔(dān)著大量的大件運(yùn)輸任務(wù)，因此其承載能力狀況是需要特別關(guān)注和重視的。

圖1 橋梁布置圖

2 既有橋梁承載能力的折減

大件運(yùn)輸車輛經(jīng)過時(shí)，如何對(duì)其承載能力及適應(yīng)性能進(jìn)行合理評(píng)估已成為橋梁工程界普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題之一。 《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）[5]根據(jù)橋梁的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗力進(jìn)行修正計(jì)算。 對(duì)于鋼筋混凝土橋梁，承載能力的評(píng)定公式如下：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)， 取值分別為1.1、1.0 和0.9，對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)安全等級(jí)一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)；S 為荷載效應(yīng)函數(shù)；R（·）為抗力效應(yīng)函數(shù)；Z1為承載能力檢算系數(shù)； fd為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ξc為結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；adc為構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ξs為鋼筋截面折減系數(shù)；ads為構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；ξe為承載能力惡化系數(shù)。 對(duì)上述4 個(gè)折減系數(shù)可整合為一個(gè)承載能力綜合影響系數(shù)K，即:

因此，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)程對(duì)各折減系數(shù)的取值，各種上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況等級(jí)的橋梁承載能力綜合影響系數(shù)K 取值分別為：1 類 （1.10～1.13）、2 類（0.98～1.01）、3 類（0.78～0.82）。 其上下限值可根據(jù)鋼筋性狀描述進(jìn)行取值， 因此承載能力的評(píng)定公式修正為：

3 大件運(yùn)輸作用下橋梁承載能力評(píng)估方法

綜合現(xiàn)有的橋梁承載能力評(píng)估方法，提出了適用于大件運(yùn)輸過橋的承載能力快速驗(yàn)算方法，如圖2 所示。

圖2 大件運(yùn)輸車輛過橋的承載能力快速驗(yàn)算方法

具體步驟如下：（1）確定橋梁技術(shù)狀況。 在進(jìn)行橋梁承載許可驗(yàn)算前， 根據(jù)收集到的橋梁技術(shù)資料，確定橋梁的技術(shù)狀況。 對(duì)于存在橋梁技術(shù)狀況為四類及以上的情況， 默認(rèn)為橋梁技術(shù)狀況較差，不具備通行條件，否定本次運(yùn)輸路線，建議承運(yùn)方選擇其他路線。（2）結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算。建立橋梁的三維有限元計(jì)算模型，計(jì)算橋梁在原設(shè)計(jì)車輛荷載作用下主要控制截面產(chǎn)生的彎矩、剪力或軸力，并根據(jù)橋梁的技術(shù)狀況對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行折減或提高。（3）大件運(yùn)輸下內(nèi)力效應(yīng)計(jì)算。計(jì)算橋梁在大件運(yùn)輸作用下的內(nèi)力效應(yīng)，并與步驟(2)得到的結(jié)構(gòu)承能力進(jìn)行對(duì)比。（4）通行決策。若大件運(yùn)輸作用下的內(nèi)力效應(yīng)小于結(jié)構(gòu)的承載力，大件運(yùn)輸車可通過橋梁；若大件運(yùn)輸作用下的內(nèi)力效應(yīng)大于結(jié)構(gòu)的承載力，需要進(jìn)一步的判斷，即繞行或加固。

4 大件運(yùn)輸通行能力評(píng)估

4.1 大件運(yùn)輸車的技術(shù)參數(shù)

以近一年福州市公路事業(yè)發(fā)展中心的大件運(yùn)輸車審批表數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)大件運(yùn)輸車的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇一種最典型的大件運(yùn)輸車型進(jìn)行后續(xù)橋梁承載能力的驗(yàn)算， 如圖3 所示：牽引車引車前后軸距離l1=3.0 m、牽引車后軸軸距l(xiāng)2=1.4 m、牽引車和掛車距離D=8.0 m。 鑒于掛車軸距l(xiāng)3對(duì)大件運(yùn)輸下橋梁的內(nèi)力效應(yīng)有較大的影響，本文將驗(yàn)算兩種不同掛車軸距的車型，即大件運(yùn)輸車A（l3=1.0 m）和大件運(yùn)輸車B（l3=1.3 m）。

圖3 大件運(yùn)輸車縱向軸重排列示意圖

4.2 空間有限元模型

因浦東大橋第一聯(lián)和第二聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式相同，均為連續(xù)T 梁橋，本文以第二聯(lián)為例進(jìn)行大件運(yùn)輸通行能力評(píng)估計(jì)算。 根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙， 基于MIDAS Civil 建立的三維空間有限元模型如圖4 所示，采用梁格法方式建模如下所示：（1）縱梁與T 梁中心線重合，設(shè)5 根縱梁，縱梁?jiǎn)卧孛媾cT 梁截面一致；虛擬橫梁?jiǎn)卧拈g隔設(shè)置與縱梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐忠恢?，截面形式采用剛度等效的原則以一工字型截面替代。橫隔板根據(jù)實(shí)際位置和截面建立。 （2）邊界條件為簡(jiǎn)支，即每根縱梁左端限制豎向、橋縱向和橋橫向位移，其余支座位置只限制豎向和橋橫向位移。

圖4 浦東大橋有限元計(jì)算模型（第二聯(lián)）

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

橋梁上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況等級(jí)為三類，全橋鋼筋性狀良好， 因此承載能力綜合折減系數(shù)可取K=0.82。 在浦東大橋有限元模型上施加標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載和大件運(yùn)輸車荷載，通過影響線加載計(jì)算得到的內(nèi)力效應(yīng)。 以84 t 大件運(yùn)輸車A 為例，浦東大橋在其作用下的內(nèi)力包絡(luò)圖如圖5 所示，可見在最大正彎矩在梁跨中位置，最大負(fù)彎矩在支點(diǎn)位置；中梁的跨中最大彎矩要比邊梁大，所以此時(shí)控制結(jié)構(gòu)安全最關(guān)鍵指標(biāo)是大件運(yùn)輸車作用下中梁的彎矩要小于標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載作用下中梁的彎矩。 此外，在車輛荷載作用下，支點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大的剪力，因此大件運(yùn)輸條件下的支點(diǎn)剪力效應(yīng)還需小于原設(shè)計(jì)的支點(diǎn)剪力效應(yīng)。

圖5 84 t 大件運(yùn)輸車A 作用下浦東大橋的內(nèi)力包絡(luò)圖

荷載效應(yīng)比較如表2、3 所示。 沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-89）取值，第一聯(lián)的跨度為35 m，經(jīng)計(jì)算沖擊系數(shù)取0.075；第二聯(lián)的跨度為25 m，經(jīng)計(jì)算沖擊系數(shù)取0.15。 掛車與超限車輛因行駛速度較慢，不計(jì)沖擊效應(yīng)。 可見，對(duì)于大件運(yùn)輸車A 和大件運(yùn)輸車B，額定車貨總重均為84 t，額定掛車軸數(shù)為n=3。

表2 大件運(yùn)輸車作用下剪力效應(yīng)統(tǒng)計(jì)（單位：kN）

表3 大件運(yùn)輸車作用下彎矩效應(yīng)統(tǒng)計(jì)（單位：kN·m）

5 結(jié)論和展望

本文結(jié)合大件運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，針對(duì)大件運(yùn)輸中橋梁承載能力評(píng)定問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的解決方法。 本文根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》采用的評(píng)分系數(shù)法對(duì)既有橋梁承載能力折減方法進(jìn)行了歸納，進(jìn)而提出了大件運(yùn)輸條件下橋梁承載能力驗(yàn)算方法， 并以福州浦東大橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立了其空間有限元模型，提出橋梁承載能力驗(yàn)算方法，計(jì)算了大件運(yùn)輸車額定車貨總重和掛車額定軸數(shù)。 本研究為公路橋梁的大件運(yùn)輸通行能力評(píng)估提供一定的參考。

但本文僅對(duì)大件運(yùn)輸車輛過橋時(shí)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估， 未對(duì)其正常使用下的裂縫、應(yīng)力、變形進(jìn)行評(píng)估，大件車輛過橋時(shí)對(duì)既有橋梁的損傷程度判別和荷載控制標(biāo)準(zhǔn)是今后需要加強(qiáng)研究的一個(gè)方向。