重型裝備公路橋梁通過性問題探索

何 麗，周 彤，張永闊，張濤華，張博宇

重型裝備公路橋梁通過性問題探索

何 麗，周 彤，張永闊，張濤華，張博宇

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

由于應(yīng)用場景的特殊性，重型裝備的整車噸位達(dá)到交通運(yùn)輸部超限（超重）運(yùn)輸車輛標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)施公路運(yùn)輸時存在諸多限制。尤其是超重車輛在通過公路橋梁時，是否能順利通過、不對現(xiàn)有橋梁產(chǎn)生損壞、不發(fā)生橋梁坍塌的事故，是現(xiàn)有重型裝備設(shè)計論證以及使用過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。針對這一需求，對重型裝備需要考慮的橋梁承載能力評價問題進(jìn)行梳理，并分析了整車重量、軸距、軸荷等因素對通過性的影響趨勢，為重型裝備論證提供有效的支撐。

重型裝備；橋梁；承載能力；通過性

0 引 言

依據(jù)目前重型裝備車輛規(guī)模，參考交通運(yùn)輸部令2016年第62號文中的規(guī)定[1]，在公路上行駛有下列情形之一的運(yùn)輸車輛稱為超限（超重）運(yùn)輸車輛。

a）三軸汽車列車總質(zhì)量超過27 t；

b）四軸汽車列車總質(zhì)量超過36 t；

c）五軸汽車列車總質(zhì)量超過43 t；

d）六軸及以上汽車列車總質(zhì)量超過49 t。

由此可見，現(xiàn)有大型重型裝備相對民用車輛存在普遍超重現(xiàn)象。隨著裝備好使用、好維護(hù)等要求的不斷提升，重型裝備運(yùn)輸車輛的公路、鐵路、橋梁通過性等問題是裝備論證設(shè)計過程中需要首要考慮的問題。文章重點(diǎn)針對公路橋梁通過性驗(yàn)算評估相關(guān)問題進(jìn)行分析，為重型裝備設(shè)計論證提供參考。

1 通過性驗(yàn)算范圍

現(xiàn)有公路橋梁結(jié)構(gòu)形式、規(guī)模多種多樣，不同區(qū)域由不同的設(shè)計院所管理，作為使用者很難獲得橋梁建造詳細(xì)資料，因此，從通過性驗(yàn)算的可實(shí)施性上考慮，以交通運(yùn)輸部頒布的公路橋梁通用圖為依據(jù)，針對通用橋梁建造結(jié)構(gòu)開展通過性驗(yàn)算。

通過收集整理《公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖裝配式鋼筋混凝土斜板橋上、下部構(gòu)造》（JT/GQB 017-2000）、《公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖裝配式鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土板》（JT/GGQS 011-84）、《公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土斜空心板上部構(gòu)造》（JT/JQB 001-93）等標(biāo)準(zhǔn)文件，標(biāo)準(zhǔn)橋梁結(jié)構(gòu)跨徑最大為40 m，以中小橋梁為主，主要為空心板、實(shí)心板以及梁橋形式，統(tǒng)計梳理確定橋梁通過性驗(yàn)算橋梁范圍見表1和表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)簡支板橋主要參數(shù)

Tab.1 Main Parameters of Standard Simply Supported Plate Bridge

跨徑/m板塊數(shù)/個單板寬/m車道寬/m3、45、68、1013、162041.04.541.254.551.06.051.256.061.06.071.07

表2 標(biāo)準(zhǔn)簡支梁橋主要參數(shù)

Tab.2 Main Parameters of Standard Simply Supported Beam Bridge

跨徑/m梁片數(shù)/個單梁寬/m車道寬/m 13、1620、2530、354032.24.5 41.6/2.24.5 32.56.0 41.66.0 51.6/2.26.0 42.2/2.57.0 52.27.0

2 荷載標(biāo)準(zhǔn)及限載要求

2.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)

從20世紀(jì)90年代至今，橋梁設(shè)計荷載經(jīng)歷了《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》1997、2003、2014[2～4]版本的更新，橋梁的安全系數(shù)和要求也在逐步地提高。從現(xiàn)實(shí)條件出發(fā)，新標(biāo)準(zhǔn)頒布后仍存在新舊橋梁同時投入使用的現(xiàn)狀，因此裝備橋梁通過性驗(yàn)算對舊標(biāo)準(zhǔn)、低等級橋梁仍需開展分析。

97版標(biāo)準(zhǔn)中橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的車輛荷載分為計算荷載和驗(yàn)算荷載兩種形式，兩種荷載均作為橋梁的設(shè)計荷載，橋梁需同時具備承受兩種形式荷載的能力。其中，計算荷載以汽車車隊表示，驗(yàn)算荷載以履帶車、平板掛車單車表示，詳見表3。

表3 1997版標(biāo)準(zhǔn)各級橋梁荷載統(tǒng)計

Tab.3 1997 Edition of Standard Bridge Load Statistics

荷載等級車隊荷載最大軸荷/t 汽車-10級設(shè)計荷載汽車-10級3輛10t主車，1輛15t重車10 驗(yàn)算荷載履帶501輛50t履帶車— 汽車-15級設(shè)計荷載汽車-15級3輛15t主車，1輛20t重車13 驗(yàn)算荷載掛-801輛80t掛車20

續(xù)表3

荷載等級車隊荷載最大軸荷/t 汽車-20級設(shè)計荷載汽車-20級3輛20t主車，1輛30t重車13 驗(yàn)算荷載掛-1001輛100t掛車25 汽車-超20級設(shè)計荷載汽車-超20級4輛20t、1輛55t重車14 驗(yàn)算荷載掛-1201輛120t掛車30

注：履帶50荷載形式為均布載荷，不存在最大軸荷。

從2003版標(biāo)準(zhǔn)開始，橋梁設(shè)計荷載等級采用公路Ⅰ級、公路Ⅱ級表示，2003版標(biāo)準(zhǔn)中的公路Ⅱ級橋梁荷載效應(yīng)等同于1997版標(biāo)準(zhǔn)中的汽車-20級橋梁，2014版標(biāo)準(zhǔn)又在2003版標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了設(shè)計荷載效應(yīng)，因此重型裝備橋梁通過性的薄弱環(huán)節(jié)為1997版標(biāo)準(zhǔn)汽車-20以下級別的橋梁。

2.2 橋梁限載要求

根據(jù)《交通運(yùn)輸部關(guān)于進(jìn)一步強(qiáng)化公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理的若干意見》交公路發(fā)[2013]321號文件中提出橋梁限載標(biāo)志設(shè)置要求，見表4，限載值取值為計算車隊荷載的重車重量和車隊中最大單軸重量。

表4 各等級橋梁限載標(biāo)志要求

Tab.4 Load Limit Sign Requirements for Bridges

公路等級總重限載/t單軸限載/t 公路Ⅰ級、公路Ⅱ級或汽車-超20級5514 汽車-20級3013 汽車-15級2013 汽車-10級1510

橋梁限載是為了管理車輛超限超重違法行駛，并非代表了橋梁的極限承載能力。從橋梁的設(shè)計荷載來看，橋梁的實(shí)際承載能力遠(yuǎn)大于限載要求，從實(shí)際使用來看，民用大件運(yùn)輸行業(yè)超重車輛允許超過300 t[5]，在相關(guān)交通管理部門辦理通行證后，可按規(guī)定的時間、線路進(jìn)行運(yùn)輸。

因此對于重型裝備而言，是否能順利通過橋梁并非按橋梁限載標(biāo)識來限制，而是應(yīng)根據(jù)設(shè)計軸荷、軸距分配情況，分析其對橋梁造成的荷載效應(yīng)是否在橋梁的設(shè)計包絡(luò)范圍內(nèi)，確定其通行能力。

3 橋梁通過性驗(yàn)算方法

3.1 驗(yàn)算原理

簡支梁/板橋通過性的判斷是通過對比設(shè)計荷載（計算荷載和驗(yàn)算荷載）與重型裝備在橋梁產(chǎn)生的彎矩、剪力荷載效應(yīng)值，進(jìn)一步推斷重型裝備的橋梁通行能力。當(dāng)設(shè)計荷載效應(yīng)值（計算荷載和驗(yàn)算荷載效應(yīng)的最大值）/重型裝備荷載效應(yīng)值≥1時則表示重型裝備可以通行；否則表示不能通行。

針對1997版標(biāo)準(zhǔn)，重型裝備可通過某一等級、某一規(guī)格橋梁的驗(yàn)算按公式（1）開展[7,8]。

3.2 通過性檢驗(yàn)位置分析

車輛在橋上的縱向位置對橋梁承受的彎矩和剪力影響明顯。橋梁通過性驗(yàn)算首先要找出跨中與跨端支點(diǎn)兩個截面整體承受的最大彎矩和最大剪力。根據(jù)車輛軸距與橋梁跨徑的關(guān)系，會存在兩種可能：

a）橋梁跨徑小于總軸距，車輛過橋時總是部分車軸在橋上。此時應(yīng)根據(jù)橋梁跨徑和軸距分配的關(guān)系，首先確定橋上可能受到的最大載荷和橋上的車橋數(shù)。其次分析合成荷載作用中心位置，最大彎矩出現(xiàn)位置為合成作用中心位于橋梁中心的位置，最大剪力出現(xiàn)位置為合成作用中心最接近的位置。

圖1 部分車橋在橋梁上

b）橋梁跨徑大于總軸距，車輛過橋時是全部車軸都在橋上。此時最大彎矩出現(xiàn)的位置為車輛合成質(zhì)心位于橋梁中心的位置，最大剪力出現(xiàn)的位置為車輛合成質(zhì)心離支點(diǎn)最近的位置。

圖2 全部車橋在橋梁上

3.3 橫向分布系數(shù)

從橋的橫向截面的角度，裝配式板橋或梁橋都是以多片板或梁組裝，再加橫向聯(lián)結(jié)而成。橋梁通過性驗(yàn)算彎矩與驗(yàn)算剪力是針對單片梁而言的。

因車輛荷載通過輪胎作用于橋梁之上，輪胎與橋梁接觸部位僅為很小一個區(qū)域，而橋面板一般由多個主梁橫向拼接而成，作用荷載在橋梁橫向分布會因?yàn)檩喬プ饔梦恢玫牟煌诟髦髁荷铣尸F(xiàn)出不同的影響效果，因此需考慮橫向分布系數(shù)的影響。如圖3所示，車輛荷載通過左右車輪作用的橋面結(jié)構(gòu)上，不同的橫向布局位置將使得主梁1、主梁2、主梁3所承受的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力的分配比例是不一致的。需要對橫向不同位置進(jìn)行分析計算，獲得主梁1、主梁2、主梁3中承受的最大彎矩和剪力。

圖3 車輛在橋上的橫向布局示意

橫向分布系數(shù)實(shí)質(zhì)為主梁在橫向分配到的最大載荷比例。橫向分布系數(shù)的大小主要受車輛輪距、主梁幾何結(jié)構(gòu)及布置等因素影響。應(yīng)按橋梁幾何結(jié)構(gòu)以及車輛在橋上不同的布局位置分析后獲得。

常見的橫向分布系數(shù)計算方法有杠桿法、剛性梁法、鉸接板（梁）法、剛接板（梁）法、有限元空間梁格法等[6]。

3.4 沖擊系數(shù)

汽車荷載沖擊力是指汽車荷載的沖擊作用所產(chǎn)生的附加力，不包含汽車的靜荷載，但是它以靜荷載的比例來表示，這個比例值稱為沖擊系數(shù)。沖擊力主要由車輛加減速、橋頭跳車、路面不平等因素引起。

按橋規(guī)[1]中的要求，對于設(shè)計荷載，需考慮沖擊載荷的影響，沖擊系數(shù)與橋梁的跨徑相關(guān)。當(dāng)橋梁跨徑不大于5 m時取0.3，橋梁跨徑不小于45 m時取0，橋梁跨徑為5 m至45 m之間，該值為線性變化。對于驗(yàn)算荷載不考慮沖擊載荷。

對于重型裝備，因其屬于超重車輛，按交通運(yùn)輸行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范性文件，此類車輛在通過橋梁時須限制行駛速度，限速5 km/h[10]，因此可按無沖擊載荷進(jìn)行驗(yàn)算。

4 橋梁通過性的影響分析

根據(jù)第3節(jié)描述的通過性驗(yàn)算方法，針對目前限制重型裝備行駛的汽車-10、汽車-15低等級橋梁，利用理論分析的手段開展整車重量以及軸荷分配對通過性的影響分析。

按公路部門的相關(guān)限制規(guī)定，現(xiàn)約束重型裝備設(shè)計軸荷不超過13 t，并依據(jù)不同規(guī)模車輛設(shè)計軸距的經(jīng)驗(yàn)，針對1.8 m、2.2 m、3.2 m 3種典型軸距分配方式，開展軸荷、軸距對汽車-10級、汽車-15級橋梁通過性影響分析。分析過程如下：

a）單軸軸荷不大于13 t，整車重量不大于13×軸數(shù)；

b）根據(jù)不同的軸距分配方案，對表1、表2中的103類的橋梁進(jìn)行通過性校驗(yàn)；

c）當(dāng)103類橋梁全部均能通過的情況視為無限制；當(dāng)103類橋梁中存在不能通過的情況，降低軸荷，迭代計算出全部通過的軸荷閾值，軸荷閾值×軸數(shù)為整車重量（以下簡稱整重）閾值；

d）對于降軸荷通過橋梁的情況，根據(jù)分析結(jié)果數(shù)據(jù)總結(jié)車輛橋梁通過性影響的限制條件（剪力/彎矩）。

通過對獲得的2781個子樣進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)出橋梁通過性影響分析見表5、表6。

表5 汽車-10級橋梁通過性影響分析

Tab.5 Analysis of Passability Effect of Grade-10 Bridge

軸數(shù)軸距為1.8m軸距為2.2m軸距為3.2m 軸荷閾值/t整重閾值/t限制條件軸荷閾值/t整重閾值/t限制條件軸荷閾值/t整重閾值/t限制條件 41342無1342無1342無 510.653剪力1154.5剪力11.557.5剪力 69.154.6剪力9.355.8剪力1060剪力 78.056.0剪力8.458.8剪力9.163.7剪力

表6 汽車-15級橋梁通過性影響分析表

Tab.6 Analysis of Passability Effect of Grade-15 Bridge

軸數(shù)軸距為1.8m軸距為2.2m軸距為3.2m 軸荷閾值/t整重閾值/t限制條件軸荷閾值/t整重閾值/t限制條件軸荷閾值/t整重閾值/t限制條件 41342無1342無1342無 51365無1365無1365無 61378無1378無1378無 711.379.1彎矩11.882.6彎矩1391無 810.281.6彎矩10.886.4彎矩12.398.4彎矩+剪力

從大量的分析數(shù)據(jù)可以看出，針對汽車-10級橋梁的通過性有以下規(guī)律：

a）汽車-10級橋梁通過性的限制條件主要表現(xiàn)為剪力，整車重量對通過性影響更為顯著；

b）4軸車輛，在常規(guī)的設(shè)計軸距、軸荷不超13 t的條件下，可以無限制通過汽車-10級橋梁；

c）5軸及以上車輛，對于可通過汽車-10級橋梁的車輛設(shè)計總重有限制，相同軸距條件下，隨著軸數(shù)的增加，限重增幅不大；

d）相同軸數(shù)，隨著（總）軸距的增加，同等橋梁可承受的車輛總重更大，相同質(zhì)量，通過軸距分配設(shè)計可一定程度提升過橋能力；

e）由于（總）軸距的增加會導(dǎo)致車輛彎道通過性降低，因此車輛設(shè)計時應(yīng)綜合考慮給出適宜的軸距分配方案。

針對汽車-15級橋梁的通過性，與汽車-10級橋梁相比，還呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

a）汽車-15級橋梁通過性的主要限制條件表現(xiàn)為彎矩，此時在軸距分配設(shè)計較為關(guān)鍵；

b）6軸及以下車輛，在常規(guī)的設(shè)計軸距、軸荷≤13 t的條件下，可以無限制通過汽車-15級橋梁。

5 舊橋承載性能評價

橋梁通過性驗(yàn)算的理論方法是針對理想狀態(tài)的新橋開展，而實(shí)際條件下，低等級的橋梁均為老舊橋梁，其承載能力受施工質(zhì)量、使用年限、運(yùn)營狀況以及養(yǎng)護(hù)管理等多種因素相關(guān)。

裝備使用過程中，還應(yīng)結(jié)合《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》等文件中的技術(shù)狀態(tài)評定方法對橋梁進(jìn)行評級，按等級判定橋梁通過性。橋梁技術(shù)狀況評定等級劃分如表7所示[11,12]。

表7 橋梁技術(shù)狀態(tài)等級

Tab.7 Grade of Bridge Technical Status

等級橋梁技術(shù)狀況描述養(yǎng)護(hù)措施 1類完好或良好狀態(tài)。全新狀態(tài)，功能完好日常保養(yǎng) 2類較好狀態(tài)。有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響小修、保養(yǎng) 3類較差狀態(tài)。有中等缺損，尚能維持正常使用功能，缺損惡化會發(fā)展中修，酌情進(jìn)行交通管制 4類差的狀態(tài)。主要構(gòu)件有大的缺損，嚴(yán)重影響橋梁使用功能；或影響承載能力，不能保證正常使用大修、加固、改建，及時進(jìn)行交通管制。如限載、限速通過，當(dāng)缺損較嚴(yán)重時應(yīng)關(guān)閉交通 5類危險狀態(tài)。存在嚴(yán)重缺損，主要構(gòu)件不能正常使用，危及運(yùn)營安全。加固、改建、重建，及時關(guān)閉交通

根據(jù)《JTG H11-2004公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》中3.5.4條[11]：

a）對于橋梁技術(shù)狀況等級為1類、2類的橋梁，即完好或較好狀態(tài)，可認(rèn)為其承載能力仍滿足規(guī)范要求。

b）對于橋梁技術(shù)狀況等級為3類的橋梁，即較差狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，委托有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)開展加載試驗(yàn)評定。

c）對于橋梁技術(shù)狀況等級為4類、5類的橋梁，即差或危險狀態(tài)，需要交通管制的橋梁，禁止重型裝備通行。

6 結(jié) 論

本文針對重型裝備橋梁通過性評估的相關(guān)影響因素進(jìn)行了研究，獲得了通過性評估的范圍，并針對軸荷、軸距、整車重量對不同等級橋梁通過性的影響趨勢展開分析，通過研究可以獲得如下結(jié)論：

a）重型裝備是否能通過橋梁并非以車輛單軸限重以及整車重量作為直接判斷依據(jù)；

b）增大軸距對重型裝備橋梁通行能力有利，但過分增大軸距會降低道路彎道通行能力，因此應(yīng)綜合考慮確定適宜的軸距分配方案；

c）以橋梁施工質(zhì)量良好，現(xiàn)狀承載能力評定滿足規(guī)范要求為計算前提，軸荷不大于13 t、軸距不小于1.8 m的4軸以下車輛可以無限制通行汽車-10級橋梁，軸荷不大于13 t、軸距不小于1.8 m的6軸以下車輛可以無限制通行汽車-15級橋梁；

d）針對實(shí)際道路上的舊橋，應(yīng)根據(jù)相關(guān)養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)對橋梁等級進(jìn)行確認(rèn)，3類橋梁是否能通過由具備相應(yīng)資質(zhì)的部門進(jìn)行評判、加固；三類以下橋梁不能通行。

本文僅針對重型裝備橋梁通過性的相關(guān)影響因素進(jìn)行趨勢性分析，相關(guān)結(jié)論在文中的假設(shè)前提條件下開展，車輛詳細(xì)的通過性判別還應(yīng)根據(jù)橋梁實(shí)際條件開展，根據(jù)確定的軸荷、軸距分配給出橋梁通過性結(jié)論。

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Inquiry into the Problem of Road Bridge's Passability for Heavy Equipment

He Li, Zhou Tong, Zhang Yong-kuo, Zhang Tao-hua, Zhang Bo-yu

(Beijing Institute of Space Launch Techology, Beijing, 100076)

Due to the particularity of the application scenario, the whole vehicle weight of heavy equipment is up to the standard of heavy transport vehicles issued by the ministry of communications. Weather the heavy vehicles can pass the bridge, without causing damage to the existing bridge or causing the bridge collapse is a key problem to be considered in the design and use of the existing heavy equipment. In view of this demand, the evaluation problem of bridge bearing capacity to be considered for heavy equipment is sorted out, and the influence of vehicle weight, wheelbase, axle load on the bridge passability is analyzed, providing strong support for the demonstration of heavy equipment.

heavy equipment; bridge; bearing capacity; passability

2097-1974(2023)01-0074-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230115

TJ089

A

2020-03-03；

2020-04-01

何 麗（1984-），女，高級工程師，主要研究方向?yàn)樘摂M試驗(yàn)與仿真。

周 彤（1990-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射技術(shù)。

張永闊（1993-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射技術(shù)。

張濤華（1983-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射技術(shù)。

張博宇（1985-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射技術(shù)。