普通車輛混行下大件車通行中小跨徑橋梁評估

陳霞、溫俊峰

（1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330025；2.江西省交通投資集團有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025）

0 引言

當(dāng)前，各省市及交通運輸部制訂的大件車通行評價原則表明，當(dāng)大件車通行公路橋梁時，可酌情禁止普通車輛及行人經(jīng)過，但在實際審批過程中為了確保通行安全，大多數(shù)設(shè)計和檢測單位采取或默認(rèn)了“大件車需單獨通行”這一行駛原則。

然而現(xiàn)實情況表明大件車輛行駛速度緩慢，通行時間較長，一方面，對于交通繁忙的路段，長時間的交通管制將耗費大量的人力物力，且嚴(yán)重影響市民的正常出行及公路運輸，造成一定程度的經(jīng)濟損失。另一方面，在實際通行中，相關(guān)部門對部分大件運輸車輛往往不能實現(xiàn)全程監(jiān)護，仍會出現(xiàn)大件車與普通車輛混合行駛的現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 大件運輸車輛與普通車輛混合通行

一些省市在相關(guān)案例中對大件車與普通車輛混合行駛這一現(xiàn)象進行了考慮和評估，但采取的手段通常是直接疊加設(shè)計汽車荷載，未考慮實際交通流荷載的組成形式。此方法可以解決單次通行方案的制訂，但對同類案例的借鑒意義并不明顯。因此，考慮用隨機車流模擬普通車輛，計算大件車混行下的橋梁響應(yīng)，并以此進行安全評估。

1 大件運輸車輛安全評估現(xiàn)狀

Han[1]等人基于八萬余組大件運輸車輛數(shù)據(jù)分析，提取五種典型大件車類型，計算大件車與不同設(shè)計汽車荷載效應(yīng)比值；提出基于可靠度理論的荷載評級方法，對大件車荷載效應(yīng)分項系數(shù)進行了優(yōu)化，最后完成了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在大件車荷載作用下的安全評估。

余海洋[2]以重慶市大件車主要路線中的橋梁為研究對象，分析既有橋梁承載力，提出大件車通行下，結(jié)構(gòu)的抗裂驗算應(yīng)滿足裂縫寬度不超過0.1mm；根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和承載能力極限狀態(tài)，提出了大件車通行橋梁時的三種荷載控制準(zhǔn)則：未出現(xiàn)拉應(yīng)力、名義拉應(yīng)力范圍內(nèi)、未超出極限承載力。

亓祥宇[3]以實際大件車運輸工程為依托，考慮線路中既有橋梁技術(shù)狀況等級，通過分析不同結(jié)構(gòu)形式、軸重的大件運輸車輛的荷載標(biāo)準(zhǔn)來確定路線中適宜通行的大件運輸車型。

李智斌[4]基于可靠度理論，計算了橋梁承載能力極限狀態(tài)下的大件車荷載分項系數(shù)取值；提出了大件車荷載控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足裂縫寬度要求及橋梁實際承載能力要求。

李浩恒[5]以荷載效應(yīng)比較法為基礎(chǔ)，考慮橋梁結(jié)構(gòu)承載能力折減以及大件車實際通行中的沖擊效應(yīng)，通過逐級加載的方式確定了不同軸數(shù)大件車可安全過橋所對應(yīng)的控制軸載。

賈旭東[6]從大件車通行時橋梁的承載能力評定方面展開了研究，分析了既有橋梁的安全儲備，將承載能力折減公式進行了簡化，確定了大件車通行快速評定的荷載組合公式，并結(jié)合實例驗證了簡化公式的適用性。

張輝輝[7]對大件車運輸過程的安全性展開研究，考慮大件車通行沿線橋梁承載力，運用修正的等代荷載法來判定通行安全性，并通過工程實例進行驗證；針對橋梁承載力不足問題，提出各種可采用的加固方法。

姚明強[8]從有限元模型修正的角度出發(fā)，提出了對大件車沿線橋梁承載能力的評定方法，該方法參數(shù)少，適用于大件車通過性快速檢測。

袁陽光[9]建立了大件車兩階段評估方法。其一，考慮結(jié)構(gòu)安全性，基于可靠度理論構(gòu)建考慮構(gòu)件退化的評估方法；其二，基于正常使用性能要求，根據(jù)可靠度理論，對不同臨界荷載效應(yīng)水平進行分析，以臨界荷載效應(yīng)比值構(gòu)建評估方法。

以上學(xué)者對大件車通行安全性評估的研究已比較詳盡，但大多將大件車作為單獨作用的特殊荷載考慮計算，并未考慮其與普通車輛混行的情況。劉航[10]對比了11 軸176t 重的大件車單獨行駛與加入設(shè)計汽車混合行駛兩種工況下16m 空心板橋的受力性能，對比發(fā)現(xiàn)混合行駛時產(chǎn)生的荷載效應(yīng)較大，接近于設(shè)計汽車荷載效應(yīng)。因此，考慮普通汽車與大件車混合通行進行驗算評估，得出的結(jié)論更接近現(xiàn)實情況，可為大件車的安全通行提供保障。

2 大件車混行與單獨作用下橋梁響應(yīng)對比分析

在無交通管制的情況下，大件車作為超限運輸車輛，行駛在普通高速路上時，其行駛速度較慢且常沿路面最外側(cè)行車道行駛?？紤]大件車寬度，當(dāng)車貨總寬度不超過3.75m 時，在布置混合交通荷載時將大件車布置在最外側(cè)行車道中線上，在其余內(nèi)側(cè)車道中心線布置普通車輛，組成大件車混合交通荷載，緊急車道不布設(shè)車輛。若大件車總寬度超過3.75m，大件車貨物輪廓將超出單個行車道范圍，此時大件車在實際通行時將占用兩個車道，可與大件車混合通行的車道數(shù)減少，這對混合交通荷載下的結(jié)構(gòu)安全驗算有利。按最不利情況考慮，在加載計算時大件車僅占用一個車道，則可以添加更多普通車道車輛荷載，可驗算混合交通荷載對橋梁結(jié)構(gòu)的最不利效應(yīng)。

以4m×30m 連續(xù)小箱梁橋為分析對象，選擇192t的12 軸大件車與2 輛普通車輛組成的混合車流進行加載。普通車輛選取一輛20t 重的兩軸車和一輛55t重的五軸車，兩輛普通車相距10m。將大件車輛布置在行車道，普通車輛布置在超車道，混合交通流橋面行駛信息如圖2 所示。

圖2 混合交通流橋面行駛信息

通過有限元計算軟件分析計算橋梁結(jié)構(gòu)任意位置的響應(yīng)特征。分別計算大件車單獨加載下與大件車混合普通車輛加載下橋梁中間梁的彎矩響應(yīng)時程，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 混合車流與大件車單獨過橋正彎矩響應(yīng)時程對比

可看出混合交通荷載作用下，橋梁正彎矩響應(yīng)在不同時段內(nèi)均大于大件車單獨作用下橋梁響應(yīng)，其中響應(yīng)極值增大比例為20.5%。這說明在大件車通行安全評估中，考慮普通車輛混行，可計算得出橋梁更不利響應(yīng)，由此評價橋梁結(jié)構(gòu)的安全性更加真實、可靠，從而確保評估結(jié)論更加準(zhǔn)確。

3 考慮普通車輛混行下大件車過橋安全評估方法

大件車通行常用的評估方法主要包括以下幾種：

3.1 實際荷載對比法

實際荷載對比法是通過對比大件車過橋引起橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)與橋梁設(shè)計階段的承載力，來判斷車輛是否可以安全過橋[11]。該方法使用設(shè)計階段的橋梁承載力進行判斷，然而橋梁在實際使用中往往會受到各種因素的影響，如施工、病害等，因此原設(shè)計階段的橋梁承載力不再適用，橋梁實際承載力能否滿足大件車通行要求，通過實際荷載對比法無法準(zhǔn)確判定。

另外，該方法需要建立精細(xì)化的有限元模型，對于大件車沿線橋梁數(shù)量、種類較多的情況，建模工作量大。因此，該方法僅適用于大件車運輸線路橋梁較少且橋梁狀態(tài)良好的情況。

3.2 修正等代荷載法

修正等代荷載法是指考慮荷載橫向分布、沖擊系數(shù)、橋梁承載能力檢算系數(shù)等因素下，使用同一荷載長度的影響線分別計算出大件車和設(shè)計汽車的等代荷載，通過對比兩者等代荷載的大小來判別大件車是否可以安全通過橋梁[12]。修正等代荷載法本質(zhì)上是將大件車荷載與設(shè)計汽車荷載進行比較，因此該方法較為簡單方便，可用于粗略判斷大件車過橋的安全性。

3.3 荷載效應(yīng)比較法

荷載效應(yīng)比較法[13]是分別計算大件運輸車輛和設(shè)計汽車荷載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的彎矩、剪力或撓度等，將兩種荷載效應(yīng)進行對比，若小于設(shè)計汽車荷載效應(yīng)，則認(rèn)為大件車可安全通過橋梁。

該方法僅需建立橋梁上部結(jié)構(gòu)模型，將不同荷載作用下的內(nèi)力進行對比，因此可對大件車運輸沿線通行橋梁進行總結(jié)歸納，選取典型橋梁進行荷載效應(yīng)比較，計算效率較高，可用于大件車過橋安全性的快速評定。

該方法適用于需要驗算線路橋梁較多和橋梁結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的情況，通過該方法可初步判定大部分橋梁是否可以安全通行，對于驗算不合格的橋梁以及技術(shù)狀況等級較差的橋梁建議使用其他方法進一步驗算。

參考大件車通行常用的評估方法，建立混合交通荷載通行的兩階段評估方法。使用隨機車流模擬普通車輛，與大件車組合成為混合交通流。

首先基于荷載效應(yīng)比較法，將大件車混合普通車輛荷載效應(yīng)與設(shè)計汽車荷載效應(yīng)進行對比，若混合交通荷載效應(yīng)小于設(shè)計汽車荷載效應(yīng)，則判定大件車可混合普通車輛安全通過橋梁，否則需進行第二階段評估驗算，基于橋梁抗彎承載能力極限狀態(tài)法進行評估，若第二階段評估結(jié)果通過，則認(rèn)為大件車混合普通車輛可安全通過橋梁。評估流程如圖4 所示。

圖4 混合交通流通行橋梁安全評估流程

4 結(jié)語

文章針對大件車與普通車輛混合通行橋梁這一現(xiàn)實問題展開研究，闡述了大件車通行審批現(xiàn)狀，對大件車通行安全評估現(xiàn)狀進行了綜述。提出大件車通行評估需考慮普通車輛混行這一問題，模擬現(xiàn)實情況下大件車與普通車輛混合通行橋梁的現(xiàn)象，并基于有限元計算軟件計算對比了大件車混行作用下與大件車單獨作用下橋梁響應(yīng)大小，驗證了大件車評估中考慮車輛混行的必要性。最終，基于大件運輸車輛通行安全評估方法，建立了大件車混行下兩階段快速評估方法，可為大件運輸車輛管理與審批工作提供技術(shù)參考。