大件運(yùn)輸車輛通行高速公路裝配式連續(xù)梁橋影響參數(shù)分析

吳 焱

（山西省交通運(yùn)輸安全應(yīng)急保障技術(shù)中心（有限公司），山西太原 030006）

1 概述

大件運(yùn)輸具有一定的強(qiáng)制性，而且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，運(yùn)輸噸位有不斷增加的趨勢(shì)[1]。僅2020年全年，課題組共完成173 輛大于等于180 t 大件運(yùn)輸車輛的高速公路通行計(jì)算。安全、快速、專業(yè)、規(guī)范地完成大件運(yùn)輸車輛通行橋梁的安全評(píng)估工作，能夠顯著節(jié)約人力物力成本，增加社會(huì)效益。因此針對(duì)大件運(yùn)輸車輛的可變參數(shù)研究能夠幫助驗(yàn)算人員快速選擇大件運(yùn)輸車輛形式，提升安全評(píng)估效率，而目前大件運(yùn)輸?shù)难芯恐饕性诳焖僭u(píng)估方法及路線選擇上，其車輛的（圖1）可變參數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響存在空白區(qū)。

圖1 大件運(yùn)輸車輛圖

2 參數(shù)分析

2.1 研究參數(shù)選擇

大件車輛形式多樣，主要形式有平板掛車、長(zhǎng)貨掛車、橋式掛車、凹式掛車、自行式掛車[2]。本文以常見的平板掛車為研究，分析大件車輛的參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，平板掛車模型圖見圖2。

圖2 平板掛車模型圖（單位：mm）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平板掛車能夠?qū)蛄寒a(chǎn)生不同效應(yīng)的可變參數(shù)包括車貨總重、軸數(shù)、軸距、軸重等[3]。車貨總重主要由貨物重量及車型決定，并且通過軸數(shù)和軸重體現(xiàn)，而軸距、軸重和軸數(shù)能夠代表作用在橋梁上荷載的大小及位置分布，更能直觀和簡(jiǎn)單地將大件運(yùn)輸車輛簡(jiǎn)化為荷載施加在橋梁上，因此，本文重點(diǎn)研究大件運(yùn)輸車輛軸距、軸重和軸數(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 研究橋型選擇

山西省已通車的高速路段以預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制裝配式連續(xù)箱梁橋（以下簡(jiǎn)稱裝配式橋）最為普遍，且單孔跨徑以標(biāo)準(zhǔn)跨徑為主，即單孔20 m、25 m、30 m 和35 m。本文選擇標(biāo)準(zhǔn)跨徑的裝配式橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析大件運(yùn)輸車輛可變參數(shù)對(duì)不同跨徑裝配式橋的影響。所選4種橋型的典型橫斷面圖如圖3所示，截面信息如表1所示。

表1 截面信息表

圖3 裝配式橋典型橫斷面（單位：mm）

2.3 有限元模型建立

本文采用Midas Civil 作為分析軟件，采用梁格法建模，分別建立單跨20 m、25 m、30 m 和35 m 的三跨連續(xù)梁橋有限元模型，不同跨徑預(yù)制裝配式連續(xù)梁橋模型離散節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表2所示，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4。

表2 有限元模型信息表

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

由于各高速路段建成時(shí)間不一，因此在設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)包含汽車-超20 級(jí)、掛車-120 和公路-Ⅰ級(jí)[4]（04 規(guī)范），其中設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)（04 規(guī)范）橋梁居多。大件運(yùn)輸通行橋梁評(píng)估方法多樣，常用的方法有等代荷載判別法、荷載試驗(yàn)判別法和實(shí)際荷載簡(jiǎn)算法等。為快速評(píng)估大件運(yùn)輸車輛的可通行性，采用等代荷載判別法，即直接將大件運(yùn)輸車輛產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)作對(duì)比。因此本文主要分析大件運(yùn)輸車輛對(duì)結(jié)構(gòu)最大正彎矩、最小負(fù)彎矩、最大剪力（以下簡(jiǎn)稱正彎、負(fù)彎、剪力）的影響。

2.4 參數(shù)變量值選擇

本文采用單一變量法分析不同大件運(yùn)輸車輛可變參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)課題組已有的大件運(yùn)輸驗(yàn)算經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各參數(shù)選擇通行頻率高的變量值進(jìn)行研究，分析過程中，選定其中一項(xiàng)變量分別代入變量值①～⑦，其他兩項(xiàng)變量則選擇變量值④項(xiàng)作為定量進(jìn)行加載分析，具體的參數(shù)值選擇如表3所示。

表3 參數(shù)變量值表

根據(jù)表4 中變量值①計(jì)算結(jié)果與公路-Ⅰ級(jí)（04 規(guī)范）設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可知變量①參數(shù)下的大件運(yùn)輸車輛基本能夠滿足不同跨徑裝配式橋通行要求。

表4 變量值①計(jì)算結(jié)果/設(shè)計(jì)計(jì)算值比值表

對(duì)于同一荷載效應(yīng)，不同跨徑橋梁的計(jì)算結(jié)果差異較大；對(duì)于同一跨徑，不同荷載效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果也存在較大差異，為有效對(duì)比大件運(yùn)輸車輛參數(shù)對(duì)不同跨徑裝配式橋荷載效應(yīng)及其對(duì)相同跨徑下不同荷載效應(yīng)的影響，采用歸一法進(jìn)行分析，即假定各參數(shù)變量值①計(jì)算結(jié)果為1，分別計(jì)算變量值②～⑦實(shí)際計(jì)算結(jié)果相對(duì)于變量值①實(shí)際計(jì)算結(jié)果的比值。

2.5 不同跨徑受影響分析

軸距的變化僅體現(xiàn)大件運(yùn)輸車輛荷載布置形式的變化，大件車輛總重未發(fā)生變化；軸重的變化體現(xiàn)大件運(yùn)輸車輛總重的變化，大件車輛荷載布置形式未發(fā)生變化；軸數(shù)的變化體現(xiàn)了大件車輛荷載布置形式及總重的變化。本文首先對(duì)各影響參數(shù)下，相同荷載效應(yīng)在不同跨徑裝配式橋受參數(shù)影響進(jìn)行研究，具體結(jié)果如下。

2.5.1 軸距影響分析

根據(jù)圖5—圖7 分析結(jié)果，在該文選定的軸數(shù)13、軸重10 t，軸距變化1.1～1.6 m 加載工況下，從整體趨勢(shì)分析，20～35 m 裝配式橋荷載效應(yīng)隨軸距增大呈減小趨勢(shì)，且不同跨徑裝配式橋荷載效應(yīng)變化幅度差異較明顯。對(duì)于最大正彎及最大剪力效應(yīng)，20～35 m 裝配式橋減小幅度依次變??；對(duì)于最小負(fù)彎矩效應(yīng)，則20 m裝配式橋減小幅度最大，其次為30 m 橋，然后是35 m橋，25 m 裝配式箱梁橋減小幅度最小。

圖5 正彎比值-軸距圖

圖6 負(fù)彎比值-軸距圖

圖7 剪力比值-軸距圖

2.5.2 軸重影響分析

對(duì)于軸重變化對(duì)結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)的影響，由于大件運(yùn)輸車輛牽引車頭重量占大件車輛總重的比值較小，最大為18.8%，因此隨軸載的增大近似于有限元模型的線性加載，從荷載效應(yīng)-軸重表（表5）也可得出，結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)基本隨軸重線性變化，且不同跨徑裝配式橋荷載效應(yīng)隨軸重變化的幅度相近。

表5 不同跨徑荷載效應(yīng)-軸重表

2.5.3 軸數(shù)影響分析

根據(jù)圖8—圖10 分析結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

圖8 正彎比值-軸數(shù)圖

圖9 負(fù)彎比值-軸數(shù)圖

圖10 剪力比值-軸數(shù)圖

a）在本文選定的軸距1.4 m、軸重10 t，軸數(shù)變化7～13 軸加載工況下，結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)隨軸數(shù)增加而增大，且不同跨徑裝配式橋荷載效應(yīng)變化幅度差異明顯，不同荷載效應(yīng)隨軸數(shù)增大幅度均有逐漸減小趨勢(shì)。

b）對(duì)于正彎效應(yīng)，軸數(shù)從7 軸增加到13 軸，不同跨度最大正彎矩效應(yīng)變化幅度排序始終為：35 m＞30 m＞25 m＞20 m。

c）對(duì)于最小負(fù)彎效應(yīng)，不同跨徑最小負(fù)彎效應(yīng)隨軸數(shù)變化幅度排序在變化，具體為：8 軸時(shí)，20 m＞25 m＞30 m＞35 m；9 軸和10 軸時(shí)，25 m＞20 m＞35 m＞30 m；11 軸時(shí)，25 m＞35 m＞20 m＞30 m；12 軸和13 軸時(shí)，25 m＞35 m＞30 m＞20 m。

d）對(duì)于最大剪力效應(yīng)，不同跨徑剪力效應(yīng)隨軸數(shù)變化幅度排序在變化，具體為：8～12 軸時(shí)，30 m＞35 m＞25 m＞20 m；13軸時(shí)，35 m＞30 m＞25 m＞20 m。

2.6 不同荷載效應(yīng)受影響分析

本文對(duì)不同荷載效應(yīng)下，同一跨徑裝配式橋不同荷載效應(yīng)受參數(shù)影響進(jìn)行分析，具體分析結(jié)果如下所示。

2.6.1 軸距影響分析

根據(jù)圖11—圖14 顯示，大件運(yùn)輸車輛軸距變化對(duì)不同跨徑裝配式橋的負(fù)彎影響最小，且負(fù)彎隨軸距變化幅度遠(yuǎn)小于正彎和剪力變化幅度，表明隨軸距增大，實(shí)際負(fù)彎計(jì)算值相對(duì)處于高位。對(duì)于20 m、25 m 和30 m裝配式橋，正彎受軸距變化影響最大，剪力次之；對(duì)于35 m裝配式橋，剪力受軸距變化影響最大，正彎次之。

圖11 20 m內(nèi)力比值-軸距圖

圖12 25 m內(nèi)力比值-軸距圖

圖14 35 m內(nèi)力比值-軸距圖

2.6.2 軸重影響分析

從表6 同一跨徑不同荷載效應(yīng)-軸重分析結(jié)果能看出：不同跨徑的裝配式橋隨軸重增大基本保持線性增大，不同荷載效應(yīng)隨軸重變化幅度相近，負(fù)彎受軸重變化影響略小于正彎和剪力。

表6 相同跨徑不同荷載效應(yīng)-軸重表

2.6.3 軸數(shù)影響分析

根據(jù)圖15—圖18所示，大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)變化對(duì)同一跨徑裝配式橋的負(fù)彎影響最大，且負(fù)彎隨軸距變化幅度遠(yuǎn)大于正彎和剪力變化幅度，同時(shí)相同跨徑的正彎和剪力變化幅度基本接近。大件運(yùn)輸車輛軸數(shù)從7 軸增加到13 軸，20 m 和25 m 裝配式橋的荷載效應(yīng)增大幅度逐漸變緩；30 m 和35 m 裝配式橋的正彎和剪力荷載效應(yīng)增大幅度逐漸變緩，負(fù)彎效應(yīng)基本呈線性變化。

圖15 20 m內(nèi)力比值-軸數(shù)圖

圖16 25 m內(nèi)力比值-軸數(shù)圖

圖17 30 m內(nèi)力比值-軸數(shù)圖

3 結(jié)論

a）裝配式橋結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)隨軸重變化基本呈線性變化，隨軸距或軸數(shù)變化基本呈非線性變化；荷載效應(yīng)隨軸距增大逐漸減小，隨軸重或軸數(shù)增加逐漸增大。

b）通過對(duì)不同跨徑下同一荷載效應(yīng)分析，大件運(yùn)輸參數(shù)變化對(duì)不同跨徑的裝配式橋影響未見明顯規(guī)律，但20 m 裝配式橋受影響程度相對(duì)最小。

c）通過對(duì)相同跨徑下不同荷載效應(yīng)分析，隨大件運(yùn)輸車輛軸距增大，負(fù)彎減小幅度最小，隨軸重增加，負(fù)彎增大幅度與正彎、剪力相近；而隨軸數(shù)增加，負(fù)彎增大幅度較正彎、剪力明顯。因此，負(fù)彎最可能是大件運(yùn)輸車輛安全通行的控制參數(shù)。