小箱梁桥参数对大件车载效应的影响及快速评估

时间：2024-07-06

段卫党，邓泽城，上官煜，陈鹏涛

(1.江西省交通投资集团有限责任公司，江西南昌 330025； 2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

随着经济技术的不断发展，大件运输的需求不断增加，超重荷载成为桥梁结构的隐患，并已引发事故，成为社会热点问题[1]。大件运输是指载运不可解体货物，且车货的总长度、总宽度、总高度、总质量至少有一项符合《超限运输车辆行驶公路管理规定》(中华人民共和国交通运输部令2021年第12号)中规定的超限运输[2]。大件运输具有一定的强制性、低频性、只能按指定时间和指定路线行驶、具有严格的速度限制、对沿线公路的结构影响严重等特点[3]。相关部门在评估大件车过桥时需谨慎对待，导致大件运输审批效率低下。

目前，已经有众多学者开展相关研究。周广利、张辉辉、姚明强、贾旭东、李浩恒等[4-8]对大件运输车辆选择、路线选择、桥梁状态等级、桥梁承载力和加固方法进行了分析；孙鹏旭、张劲泉等[9-10]对大件运输车载下的桥梁承载能力进行了分析；Han、孙玉、袁阳光、周广利、刘航等[11-16]对大件运输车载下的桥梁安全性进行了分析并提出了相应的评估方法；韩万水等[17]分析了不同车型作用下，车辆横向行驶位置与轴重限值的关系，给出相应的桥梁安全指数；徐昌、陈海威等[18-19]对实际某个大件运输工程进行了分析，评估工程的可行性。大件运输车载下单个桥梁评估方法已经较为成熟，但是路线级评估方法较为缺乏。为提高审批效率，现迫切地需要提出一种路线级、针对特定桥型的大件车通行的安全性快速评估方法。

小箱梁作为装配式结构，具有梁高较小、适应变宽能力强、暴露面少、耐久性好、主梁刚度大、施工稳定性好等优势，在全国各个省份中均有大量运用。根据所统计9条高速公路的1 877座桥梁，小箱梁桥有472座，占比25.15%，其中最高占比为95.0%。

该文选择中国3个省份海量大件运输数据，针对4种大吨位双线式车轴大件运输车辆，对其单独行驶通过小箱梁桥进行安全性评估，结合小箱梁桥响应规律和荷载效应比较法，给出一种路线级快速评估大件车通行小箱梁桥的方法，并应用于实际工程。

1 高等级公路小箱梁桥体系参数分布特征及典型截面

对9条高速公路中所筛选的1 877座桥梁进行统计分析，小箱梁桥472座，占比25.15%。其中，预应力简支小箱梁桥303座，占比64.19%；预应力连续小箱梁桥 169座，占比35.81%。图1(a)为不同单跨跨径的小箱梁桥比例，图1(b)为不同主梁片数的小箱梁桥比例。小箱梁桥主梁间距为2.7～3.3 m，单联主梁跨数从1跨到8跨均有分布，典型截面如图2所示。

图1 小箱梁桥体系参数统计分析

图2 典型截面(单位：cm)

2 基于通行审批数据的大件运输车辆加载模型

基于某3个省份大件运输通行管理部门提供的超过20万份的通行审批数据：包括车重、轴距等文本数据和图片资料，通过图片处理方法并结合人工方法[11]，考虑车辆在小箱梁桥上的加载形式以及各类荷载的占比情况，从3 000余组车辆信息中遴选出4种典型加载模型(图3)。需要指出的是：所关注的均为大吨位的大件运输车辆，车辆轴型均为如图3(e)所示的双线式车轴，单线式车轴在此不作考虑。根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》(中华人民共和国交通运输部令 2021年第12号)第十七条的规定，考虑最不利原则确定轴重为18 t。

3 小箱梁桥体系参数对大件车载效应的影响规律

3.1 加载分析方法

为提升建模效率，采用桥梁结构通用计算分析软件Midas/Civil进行分析计算，引入横向分布系数将空间受力问题简化为单梁计算问题，彭静等[20]已验证单梁模型的精度满足要求；刘旭政[21]等已指出桥面板现浇层刚度对弯矩的影响可忽略不计，故不作考虑。

图3 大件运输车辆加载模型(尺寸单位：cm)

采用杠杆法和刚接板法分别计算支点位置和跨中位置的横向分布系数，支点至1/4桥梁计算跨径处的横向分布系数采用线性插值。由于大件车在实际通行过程中低速行驶，故不考虑冲击系数；而对于设计车辆，考虑冲击系数。加载4种车辆模型并根据JTG D62—2004《公路桥涵通用设计规范》布置公路-Ⅰ级设计车辆荷载，按式(1)计算4种加载模型与设计车辆作用下小箱梁桥荷载效应比值。考虑到中国桥梁结构设计重点及小箱梁桥的结构受力特点，在建立评估方法时重点关注小箱梁桥的抗弯性能。

(1)

式中：SD、SQ、md、mc、μ分别为加载模型荷载效应值、设计汽车荷载效应值、加载模型与设计汽车荷载的横向分布系数、设计冲击系数；跨中处md/mc计算得其取值范围为[0.457，0.513]，支点处md/mc取值为0.660；冲击系数按JTG D62—2004《公路桥涵通用设计规范》取用。

3.2 跨径布置的影响

根据实际小箱梁桥立面布置图，建立单跨跨径为20 m、25 m、30 m、35 m，主梁间距为2.9 m，5片主梁的预应力混凝土简支小箱梁桥模型与5跨连续小箱梁桥模型，计算荷载效应比值，计算结果如图4所示。

图4 小箱梁桥单跨跨径影响分析

由图4可得：

(1) 加载模型Ⅰ作用下，荷载效应比值与单跨跨径相关性较小，不作为主要考虑因素，对最小单跨跨径简支小箱梁桥与最大单跨跨径连续小箱梁桥进行评估即可。

(2) 加载模型Ⅱ作用下，正弯矩及负弯矩比与单跨跨径正相关，仅对最大单跨跨径小箱梁桥进行评估即可。

(3) 加载模型Ⅲ作用下，正弯矩比值与单跨跨径正相关，负弯矩比值在单跨跨径为30 m时达到峰值，即需要对单跨跨径为30 m与最大跨径进行评估。

(4) 总轴重与荷载效应比值正相关，仅对最大总轴重大件车进行评估即可。

(5) 轴距与荷载效应比值负相关，相同轴重下，对最小轴距大件车进行分析即可。

3.3 跨数布置的影响

根据跨径分析结果与小箱梁桥单跨跨径分布情况，建立20 m跨径简支梁及2～8跨预应力混凝土连续小箱梁模型，计算荷载效应比值，计算结果见图5。

图5 小箱梁桥跨数布置影响分析

由图5可得：正弯矩及负弯矩比值与单联跨数负相关，但在3跨之后相关性不明显，即3跨及以下跨数小箱梁桥控制大件车通行评估结果。

3.4 主梁片数的影响

根据分析结果，选取单跨跨径为25 m、主梁间距为2.9 m、主梁片数为3～7片的简支小箱梁桥与5跨连续小箱梁桥进行建模分析,计算结果见图6。图6表明：主梁片数与荷载效应比值相关性水平低，主梁片数为3片时，荷载效应比值达到峰值。故其余结构形式相同时，最低主梁片数的小箱梁桥控制大件车通行评估结果。

图6 主梁片数影响分析

3.5 主梁间距的影响

综合考虑统计结果及对单跨跨径、跨数、主梁片数的分析结果，采用单跨跨径为25 m、3片主梁、主梁间距为2.7～3.3 m的简支小箱梁桥和3跨连续小箱梁桥进行分析，计算结果见图7。图7表明：主梁间距与荷载效应比值相关性水平低，仅作为次要考虑因素，在其他参数相同情况下，最大主梁间距的小箱梁桥控制大件车通行评估。

图7 主梁间距影响分析

4 大件运输车载下路线级小箱梁桥快速评估方法

根据分析结果，建立大件运输车载下路线级小箱梁桥快速评估方法，包括：① 根据加载车辆选择控制性小箱梁桥建模分析；② 评估大件车通行可行性。

4.1 控制性小箱梁桥遴选准则

基于上节分析结果，建立如图8所示控制性小箱梁桥遴选准则与评估流程。首先根据待评估大件车的荷载特性选择对应的加载模型，展开控制性小箱梁桥遴选；其次，对简支小箱梁桥和连续小箱梁桥分别根据分析结果对单跨跨径和跨数两大主要影响因素进行选择；最后，进一步选择最大主梁间距、最小主梁片数的小箱梁桥作为控制性桥梁进行大件车通行评估。

4.2 荷载效应评估

采用参考文献[8]中荷载效应比较法判别公式(2)评估大件车通行安全性。根据现有研究及规范，修改系数取值[4]如式(2)所示：

(2)

式中：α、ξd、ξc、ξ分别为式(1)中计入横向分布系数和冲击系数的荷载效应比值、加载模型和设计汽车荷载效应系数、承载能力折减系数。大件车荷载为偶然荷载，故ξd取值为1.0；ξc根据JTG D62—2004《公路桥涵通用设计规范》取值为1.4；ξ为小箱梁桥承载能力折减系数，根据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，考虑地区和桥梁整体情况取值。

袁阳光等[13]考虑不同大件运输车辆通行目标可靠指标、现役桥梁的结构配筋信息以及安全耐久性要求，分析确定了大件运输车辆过桥评估时其安全系数ρ取值范围为[1.115,1.131]。考虑实际小箱梁桥结构形式的差异性，取ρ为1.123。

图8 评估流程