大件車與超載車對空心板橋荷載效應(yīng)對比分析

段衛(wèi)黨，鄧澤城，詹沖沖，劉 笑，王 濤

(1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025；2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064，3.中交瑞通路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司，陜西 西安 710061)

0 引言

隨著公路運(yùn)輸行業(yè)日漸興盛，大件車與超載車輛越來越多地出現(xiàn)在公路交通運(yùn)輸中。大件車是一種運(yùn)輸不可分割的重型貨物的專用車輛[1]，在上路之前需得到相關(guān)部門的通行許可，其長度與總重均可能超限，但其軸重在限載內(nèi)。相比之下，超載車輛是載重超限，未經(jīng)許可違規(guī)上路的運(yùn)輸車輛，該類車輛的荷載形式為四軸卡車，五軸半掛卡車，六軸半掛卡車，該類車輛的軸重往往大幅超限?？招陌鍢蛄涸谖覈煌肪W(wǎng)中量大面廣，其設(shè)計(jì)活載效應(yīng)與設(shè)計(jì)恒載效應(yīng)比值要比大跨橋梁高得多，這決定了空心板橋梁對車輛荷載效應(yīng)敏感性高。因此很有必要分析大件車與超載車輛這2種超限荷載對空心板橋梁的效應(yīng)。

針對大件車或超載車輛對橋梁荷載效應(yīng)，諸多學(xué)者開展了相關(guān)的研究。CHOI[2]等建立了一種利用大件車荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)比值的方法來評估大件車過橋的安全性。李浩恒[3]研究了梁式橋大件運(yùn)輸?shù)目刂戚S載并對大件運(yùn)輸過橋安全性做出評估；李智斌[4]對中小跨徑PC簡支梁橋做了大件運(yùn)輸荷載控制標(biāo)準(zhǔn)研究；周廣利[5]基于荷載效應(yīng)比較法，通過對比 89 版、04 版和 15 版《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中汽車荷載效應(yīng)與液壓軸線車效應(yīng)，探索建立了裝配式簡支板橋通行能力的判定標(biāo)準(zhǔn)；LENNER[6]等利用可靠度理論建立了適用于大件車的荷載與抗力系數(shù)評估方法；袁陽光[7]等同時(shí)考慮安全性與正常使用性能的要求建立了大件車過橋評估方法。亓祥宇[8]等分析了不同的大件車軸距、輪距和軸荷對橋梁內(nèi)力影響，建議大件車可通過增加軸數(shù)，減小軸重來安全通過已有橋梁。黃平明[9]等基于河北省宣大高速長達(dá)18個(gè)月的動態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)，分析了空心板橋在重載下的交通安全性；胡大琳[10]等基于陜西省府店路交通荷載調(diào)查結(jié)果，分析了超重交通對公路橋梁的影響，并給出了相應(yīng)的控制對策；秦祿生[11]通過對高速公路小跨徑簡支板橋的重車加載試驗(yàn)，分析了重載交通對小跨徑簡支板橋橫向鉸接能力的影響；VIGH[12]等借助數(shù)值方法建立了超重車輛荷載過橋的快速審批和結(jié)構(gòu)評估方法；ZHANG[13]等通過現(xiàn)場加載試驗(yàn)分析了一座超載作用下的在役橋梁在接近承載能力極限狀態(tài)的受力特性；OBRIEN[14]研究結(jié)果認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全性對于車輛荷載總體分布的右尾部(重載交通)更為敏感；張海濤[15]針對超載車輛引起的橋梁垮塌失效、疲勞破壞和橋面系破損等問題進(jìn)行了分析，并針對我國超載問題提出管控方法。趙士良[16]等以結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，分析了重載交通下空心板橋梁的抗裂性能；ROSCHKE[17]等分析了一座后張法空心板橋梁在超載下的受力特性。大件車荷載特性與超載車輛荷載特性具有明顯的不同，所以其對橋梁的荷載效應(yīng)也會有很大差別，而針對大件車與超重車輛對橋梁的荷載效應(yīng)對比研究尚少。

基于以上研究，以長期的交通流監(jiān)測數(shù)據(jù)與通行審批數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以有限元分析軟件ANSYS對大件車與超載車下空心板橋梁的荷載效應(yīng)進(jìn)行分析。首先基于通行審批數(shù)據(jù)和WIM數(shù)據(jù)對大件車與超載車的特性進(jìn)行對比分析,并提取出代表車型;其次,采用ANSYS對車輛荷載工況進(jìn)行加載計(jì)算，得到車輛作用下空心板橋梁荷載效應(yīng);再次,通過將車輛荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)對比,在結(jié)構(gòu)響應(yīng)的層面分析大件車、超載車荷載與設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)差異;最后得出大件車與超載車這兩類超限車輛對空心板橋梁的荷載效應(yīng)差異。

1 兩類超限車輛荷載特性對比與代表車型抽取

1.1 車輛荷載調(diào)查與數(shù)據(jù)來源

車輛荷載調(diào)查選擇浙江省G104國道紹興段某大橋，該大橋在橋頭安裝了車輛荷載動態(tài)稱重 (Weigh in Motion,WIM)系統(tǒng)和交通信息采集系統(tǒng)，對運(yùn)營期大橋的交通荷載信息進(jìn)行采集，以及對超載車輛進(jìn)行監(jiān)控[18]。系統(tǒng)持續(xù)記錄過往車輛的載荷數(shù)據(jù)，包括車輛到達(dá)時(shí)間、橫向行駛位置、車輛質(zhì)量、軸數(shù)、速度、 軸重和軸距。經(jīng)過289 d的數(shù)據(jù)采集，收集到100 708 組卡車數(shù)據(jù)，從中選取549組超載車輛(包括四軸卡車、五軸半掛卡車、六軸半掛卡車)數(shù)據(jù)作為本文超載車輛分析對象。車輛荷載調(diào)查測點(diǎn)位置如圖1所示。大件車通行需通過相關(guān)部門審批，總重、軸重、車長等車輛參數(shù)均有數(shù)據(jù)紀(jì)錄，因此大件車數(shù)據(jù)取自當(dāng)?shù)爻捃囕v管理部門的通行審批數(shù)據(jù)庫。

圖1 車輛荷載調(diào)查測點(diǎn)位置

1.2 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的車輛荷載特性對比

車輛荷載參數(shù)包括：車輛長度、車輛總重、軸重、軸距、高度、寬度、行駛位置、車速等。本文旨在分析車輛荷載效應(yīng)，車輛長度決定荷載加載范圍，直接影響到荷載效應(yīng)的大小，總重與軸重決定了加載荷載的大小，其他參數(shù)對荷載效應(yīng)影響較小，進(jìn)而僅對比分析大件車與超載車的車輛長度、總重和軸重。

1.2.1車輛長度對比分析

車輛長度是指車輛所有軸距之和。大件車和超載車車長分布圖如圖 2所示。

由圖 2可知，大件車車長主要分布范圍為20～35 m，其中車長超過《大件車行駛公路管理辦法》中規(guī)定的22 m長的大件車占比達(dá)到94.65%；超載車車長主要集中在9～11 m和14～20 m，其中9～11 m主要對應(yīng)四軸卡車的長度，14～20 m主要對應(yīng)五軸、六軸半掛卡車車型的長度。大件車整體車長要長于超載車，大件車車長最大達(dá)到了130 m，而特重車最大車長在20 m。由此可見，車輛長度是區(qū)別大件車與超載車的特性之一。

(a) 大件車車長分布

1.2.2車輛質(zhì)量對比分析

正文對于橋梁結(jié)構(gòu)來說，車輛質(zhì)量是荷載水平大小的直觀呈現(xiàn)，且大件車與超載車整體質(zhì)量均特別大，相比于普通車輛對橋梁危害更大。大件車和超載車的質(zhì)量分布如圖 3所示。

(a) 大件車質(zhì)量分布

對于大件車，其車質(zhì)量分布具有明顯的單峰分布特征，主峰點(diǎn)對應(yīng)的車質(zhì)量為55 t左右，而對于超載車，其車質(zhì)量分布具有明顯的雙峰分布特征，2個(gè)主峰點(diǎn)對應(yīng)的車質(zhì)量分別為95 t和130 t。從車質(zhì)量在100 t以上所占比例和均值來看，大件車100 t以上占比為1.14%，100 t以上均值為169.1t；超載車100 t以上占比為51.7%，100 t以上均值為118 t。從最大車質(zhì)量來看，大件車為530 t，超載車為148 t，遠(yuǎn)小于大件車。

從以上對比來看，大件車車質(zhì)量絕大部分在100 t以下，從側(cè)面可以反映出，大件車運(yùn)輸貨物可能主要以超寬、超長、超高貨物為主，運(yùn)載超重貨物比例并不大，即幾何超限是大件車的主要特征；超載車輛則不存在幾何超限問題，均是載重超限。

1.2.3軸質(zhì)量對比分析

軸質(zhì)量是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全和耐久性最直接的因素，當(dāng)車重大但是軸數(shù)較多時(shí)，每個(gè)軸的軸重并不是很大，對橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)造成的損害可能不是很大，但是當(dāng)軸重很大時(shí)，由于其是與橋梁直接接觸的部分，可能會對橋梁造成毀滅性的破壞，因此研究大件車和超載車軸重特性。大件車和超載車軸質(zhì)量分布如圖 4所示。

(a) 大件車軸質(zhì)量分布

大件車和超載車的軸質(zhì)量分布有一定的相似性，均服從雙峰正態(tài)分布。對于第一個(gè)峰值點(diǎn)，其來源為牽引車的某一軸重。對大件車，其牽引車軸重服從均值為8.71，方差為0.994的正態(tài)分布；對特重車，其掛車型牽引車軸重服從均值為7.05，方差為0.522的正態(tài)分布。相比于超載車，大件車的牽引車軸重期望大，牽引車型也略多，這符合大件車會根據(jù)不同貨物選擇不同牽引車的實(shí)際。對于第二個(gè)峰值點(diǎn)，其來源為掛車的某一軸重。對大件車，其掛車軸重服從均值為16.14，方差為2.725的正態(tài)分布；對超載車，其掛車軸重服從均值為18.63，方差為4.042的正態(tài)分布。相比于大件車，超載車的掛車軸重均值更大、分布更廣，最大可達(dá)到37 t，這也說明超載車的超載幅度相當(dāng)大。

1.3 大件車與超載車輛代表車輛遴選

大件車數(shù)據(jù)來自審批數(shù)據(jù)庫，為區(qū)別超載車輛，大件車遴選七軸及以上車型為主。遴選步驟如下：① 將大件車根據(jù)掛車的類型不同劃分為鵝頸式掛車、凹梁式掛車、平板掛車和長貨掛車4大類[19]。② 確定每種大件車類型的軸組特征。③ 根據(jù)軸組信息將每組大件車數(shù)據(jù)與相應(yīng)類型匹配。④ 將最大車輛總重的車輛作為每種類型關(guān)鍵大件車。

從WIM系統(tǒng)中遴選出的549組超載車輛數(shù)據(jù)中包括四軸卡車、五軸半掛卡車、六軸半掛卡車。將這3種車型分類統(tǒng)計(jì)，每種車型的長度大抵相同，進(jìn)而從這3種車型中分別選出總重最大的超載車輛作為這3種車型的代表車輛。

基于以上步驟，遴選出大件車5種代表車型，超載車3種代表車型。具體參數(shù)如表 1所示。

表1 大件車和超載車代表車型Table 1 Representative models of large and overloaded vehicles車輛類別車輛編號車輛參數(shù)信息大件車(單列平板式)CV-I大件車(雙列鵝頸式)CV-Ⅱ大件車(凹梁式)CV-Ⅲ大件車(雙列平板式)CV-Ⅳ大件車(雙列長貨車)CV-Ⅴ超載車(四軸卡車)T-Ⅰ超載車(五軸半掛卡車)T-Ⅱ超載車(六軸半掛卡車)T-Ⅲ注: 軸重單位為t,軸距單位為cm。

2 典型空心板橋梁與有限元模型

2.1 典型空心板橋梁選擇

以《公路橋梁通用圖》中左右幅分離的鋼筋混凝土空心板橋(RC板橋)、 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋(PC板橋)為研究橋型，橋梁的設(shè)計(jì)交通荷載等級為公路-I級，路基寬度為24.5 m的整體式路基。其關(guān)鍵幾何參數(shù)與力學(xué)參數(shù)見表 2。橫斷面示意圖如圖 5所示。

(a) RC板橋

2.2 有限元模型建立與修正

采用ANSYS有限元分析軟件分別建立空心板橋的實(shí)體模型和梁格模型。建立實(shí)體模型時(shí)，將橋面鋪裝看作是主梁頂板的一部分使其成為一個(gè)整體，使用 Solid65單元模擬主梁、護(hù)欄，Link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋，將鉸縫連接處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平動耦合處理。建立梁格模型時(shí)，主梁和橫梁的模擬選用Beam4單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋模擬選用Link8單元，通過初應(yīng)變法施加預(yù)應(yīng)力，空心板間的鉸縫通過耦合節(jié)點(diǎn)平動位移來模擬，支座則采用彈性支承模擬。

表2 中小跨徑橋梁幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of medium and small span bridges截面形狀空心板橋型梁數(shù)梁高/m面積/mIX/m4IY/m4IZ/m4RC6 m120.320.390.0150.0060.028RC8 m120.420.400.0240.0110.030RC10 m120.500.440.0310.0160.032PC10 m90.600.550.0610.0310.080PC13 m90.700.590.0870.0440.086PC16 m90.800.620.1090.0600.093PC20 m90.950.670.1440.0900.105

在進(jìn)行橋梁響應(yīng)分析時(shí)，通常需要建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)特性的有限元模型。梁格模型因?yàn)闄M向聯(lián)系的缺陷，影響橋梁橫向分布效果，同時(shí)影響靜力加載的精確度。因此以實(shí)體模型為標(biāo)準(zhǔn)，使用參數(shù)型修正法對梁格模型修正完善，使得梁格模型在靜力加載下的響應(yīng)與實(shí)體模型響應(yīng)之間的誤差減小到一定值。選擇主梁撓度作為構(gòu)造修正目標(biāo)函數(shù)的靜力測試量，根據(jù)靜力加載下實(shí)體模型的撓度Usi和梁格模型的撓度Uli可以構(gòu)造如下的目標(biāo)函數(shù)：

(1)

式中:fx是基于撓度的目標(biāo)函數(shù)；n表示靜力加載測點(diǎn)數(shù)目；yi為權(quán)重系數(shù)。將修正參數(shù)選為橫梁的剛度系數(shù)與彈性模量，然后以橋梁靜力目標(biāo)函數(shù)為對象，最后使用有限元模型修正程序進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，并在此過程中不斷調(diào)整參數(shù)，直至得到與實(shí)體模型非常接近的梁格模型。圖 6給出了PC10 m空心板橋的實(shí)體與梁格模型。

(a) 實(shí)體模型

將所有跨徑的梁格法空心板橋梁模型按照上述方法進(jìn)行修正。以PC10 m板橋?yàn)槔?，將修正的梁格模型和?shí)體模型通過靜力加載研究其準(zhǔn)確性。設(shè)置工況為在5#梁跨中施加大小為100 kN，方向豎直向下的集中力，分別對比實(shí)體模型和梁格模型的每片梁的跨中位置處的彎矩和撓度。分析結(jié)果如圖 7所示。

由圖 7可知，修正后的梁格模型和實(shí)體模型在集中荷載作用下彎矩和撓度的誤差均在6%以內(nèi)，可以認(rèn)為修正后的梁格模型能很好地反映空心板橋梁的性能。后續(xù)研究將采用修正的梁格有限元模型進(jìn)行大件車和超載車過橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比分析。

(a) 跨中彎矩

3 兩類車輛荷載對空心板橋梁的荷載效應(yīng)對比

3.1 車輛加載分析

高速公路中典型空心板橋梁一般劃分3個(gè)車道：左側(cè)超車道、中間行車道、右側(cè)緊急車道。大件車過橋規(guī)定需按照橋梁中心線行駛，以20 m跨橋梁為例，大件車橋面信息如圖 8所示，則大件車加載計(jì)算用自定義車輛模型按橋梁中線居中加載計(jì)算。超載車輛在實(shí)際行駛中一般按車道行駛，且長時(shí)間行駛于行車道，如圖 9所示，考慮超載車輛實(shí)際行駛路線，對超載車輛加載計(jì)算按照行車道中線加載計(jì)算。

圖8 橋面大件車行駛信

圖9 橋面超載車行駛信息

3.2 大件車和超載車跟設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)對比

計(jì)算后得：彎矩效應(yīng)極值對比分析如圖 10，剪力效應(yīng)極值對比分析如圖 11。

(a) 大件車與設(shè)計(jì)車彎矩荷載效應(yīng)比值

(a) 大件車與設(shè)計(jì)車剪力荷載效應(yīng)比值

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)：

a.對于5種大件車型與3種超載車型對典型空心板橋的響應(yīng)，僅有在CV-Ⅰ大件車作用下，彎矩與剪力φ值均位于1.0以下，表明CV-Ⅰ型大件車的荷載效應(yīng)小于設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)。

b.除CV-Ⅰ車型外，其他車型的荷載效應(yīng)均有不同程度超越設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)，且超載車輛整體超越程度大于大件車，說明超載車輛對于典型空心板橋梁危害更大。

c.在大件車荷載中CV-Ⅱ車型的荷載效應(yīng)超越設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)程度最大，彎矩最大是設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)的1.4倍，剪力最大是設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)的1.7倍。超載車輛荷載中六軸超載車的彎矩達(dá)到設(shè)計(jì)汽車彎矩的1.8倍，五軸超載車的剪力達(dá)到設(shè)計(jì)汽車剪力的1.8倍。

d.對比大件車與超載車荷載效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，超載車對RC橋梁的荷載效應(yīng)整體程度上高于大件車對RC橋梁的荷載效應(yīng)，主要是由于在短跨徑內(nèi)超載車輛軸重集度高于大件車。

e.CV-Ⅳ和CV-V大件車荷載對典型空心板橋作用φ下極值大致相等，是由于CV-Ⅳ和CV-V大件車在空心板橋最不利荷載加載時(shí)，作用在橋面的車軸數(shù)和軸荷相同。

4 結(jié)語

a.大件車與超載車荷載特性差異主要體現(xiàn)在車長與軸重上。大件車車長普遍長于超載車，而超載車單個(gè)軸重高于大件車單個(gè)軸重。

b.除CV-Ⅰ車型外，其余4種大件車與3種超載車對典型空心板橋梁的荷載效應(yīng)均超過設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)。

c.10 m及以下的典型RC空心板橋梁荷載效應(yīng)由五軸和六軸超載車控制，當(dāng)跨徑超過10 m時(shí)荷載效應(yīng)由CV-Ⅱ型大件車控制，超載車輛對空心板橋梁荷載效應(yīng)整體大于大件車對空心板橋梁荷載效應(yīng)。

d.典型空心板橋梁跨徑在20 m及以下，其荷載效應(yīng)由實(shí)際作用于橋上的軸數(shù)和軸重決定。相比于車輛總重，車輛軸重對空心板橋梁響應(yīng)的影響更大，對于空心板橋梁，更應(yīng)該限制通行車輛的軸重。

e.得知大件車與超載車這兩種超限車輛對空心板橋梁不利，如何把控超限車輛的出現(xiàn)頻次和減小其對橋梁的危害仍需進(jìn)一步研究。