基于中美規范的大件運輸橋梁安全評估

唐利科， 占玉林,2， 石玉燦

(1.西南交通大學土木工程學院橋梁工程系，四川成都 610031;2.陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室，四川成都 610031)

基于中美規范的大件運輸橋梁安全評估

唐利科1， 占玉林1,2， 石玉燦1

(1.西南交通大學土木工程學院橋梁工程系，四川成都 610031;2.陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室，四川成都 610031)

大件設備運輸通過公路橋梁時需進行承載能力準確的評估，這是確保橋梁和設備安全及能否通過大件設備運輸的重要保障。文章以巴基斯坦公路橋梁運輸350 t大件設備項目為依托，對中美兩國在超重車輛過橋時的橋梁承載能力分析要點、方法和評估原則進行了介紹。通過對預應力簡支T梁橋在通行超重車輛時的結構安全的分析與計算，得到了一些有益的結論，可為同類運輸案例的橋梁結構承載力評估提供借鑒經驗。

公路橋梁； 大件設備運輸； 數值計算； 承載能力； 中美規范； 安全評估

近年來，隨著現代化工業建設的發展，在公路運輸中，超重型設備運輸已經是一個日漸頻繁的現象[1]。由于大件運輸車輛的尺寸、軸距和重量與一般車輛不同，所以其車輛荷載與規范規定的標準荷載差異較大，運輸中對橋梁產生的作用效應往往超過橋梁設計荷載作用效應，進而會對橋梁的安全承載能力和正常使用性能產生非常嚴重的影響[2]。

目前國內外有關學者和工程師們對大件運輸車輛通過橋梁時進行了大量的試驗與理論研究，對其進行評價分析并取得了一定的研究成果。張輝輝[3]介紹了大件運輸車輛類型和適用范圍 ，對橋梁承載力驗算所用方法的優缺點及適用范圍進行了對比分析，提出了修正等代荷載判別法來分析橋梁承載力，且分析了大件運輸通過時橋梁加固改造方法。何愛德[4]建立了大件運輸車過橋安全可靠的判別式，通過取定抗力分項系數和恒載效應分項系數，反求出大件運輸車輛荷載效應分項系數，并對鋼筋混凝土 T 梁安全可靠性進行評估。楊宏健[5]從材料特性及結構本身承載潛力特點出發，提出了大件運輸通過簡支梁橋的安全評價標準。李智斌[6]對比研究了國內外大件運輸車輛限制荷載標準，得到了既有橋梁在不同技術狀況時的承載能力折減系數。J.deBrito[7]和Hani G.Melhem[8]等提出了快速確定橋梁承載能力的專家經驗評定法。

鑒于目前國內外針對大件運輸尚無統一、明確的荷載控制標準。一方面部分前期修筑的橋梁由于老化,承載能力狀態和技術狀況顯著下降，另一方面考慮到大件運輸車輛荷載的偶然性和特殊性，采用什么標準和規范來進行安全評估驗算，是交通運輸管理部門需要面對的重大難題。因此，基于國內外規范開展大件運輸橋梁安全評估的研究具有十分重要的意義。

1 工程背景

1.1 大件運輸車輛規格與參數

本項目為巴基斯坦境內運輸350 t的大件設備，其大件運輸模式為2縱列16軸線+600噸橋式框架梁+ 2 縱列16軸線全掛方式，車軸荷載約為192 kN，車型相關參數見圖 1。

1.2 橋梁概況

該橋上部結構為12×38 m預應力混凝土簡支T梁，設計荷載采用美國橋梁設計規范HL-93 荷載，于2013年建成通車。主梁由6片T梁組成，梁高2.2 m，主梁梁肋間距為3.27 m。全橋按照雙向四車道設計，橋面橫向布置為1.6 m(護欄等) +2×3.65 (行車道) +1.8 m中央分隔帶+2×3.65(行車道)+1.6 m( 護欄等) 。橋梁結構示意見圖2。

采用有限元軟件建立該橋單梁模型，模擬簡支T梁橋的整體受力行為。全橋共建立31個節點，節段劃分為32個單元。計算模型中主梁采用一般空間梁單元模擬，采用一般支承模擬鉸支座。二期恒載按照梁片數均攤在該單梁上，大件運輸過橋活載通過程序自定義車道、特殊車輛活載來模擬。計算模型見圖3。

根據中美兩國橋梁規范設計的預應力混凝土T梁橋所用材料參數見表1、表2。

表1 混凝土性能

注：1 psi=6.895 kPa

圖1 車輛布置(單位:cm)

(a)橋梁全貌

(b)橋梁橫截面圖2 橋梁結構示意(單位:cm)

圖3 橋梁計算模型

表2 預應力鋼絞線性能

2 荷載橫向分布系數

大件車輛過橋時均嚴格要求沿路面中心行駛，且行車速度一般不能超過 5 km/h，行駛過程中不允許有加速或者制動，大件車通行過程中其他車輛不得上橋。大件車對結構的荷載效應可通過最不利靜力加載得到。

由于大件運輸車輛沿橋面居中行駛，經計算，橋梁中梁在跨中處的橫向分布系數最大，結構所受的荷載為最不利，故取中梁進行有限元計算。據此對橋面車輛進行橫向布載，分別采用剛性橫梁法和杠桿法計算T梁跨中截面和支點截面的橫向分布系數[9]，荷載橫向分布系數得計算結果見表3。

3 美國橋梁承載能力評定方法

3.1 承載能力極限狀態下荷載控制

承載能力極限狀態下大件運輸車輛荷載的檢算主要是為了保證橋梁和大件運輸設備通行安全，計算時將橋梁結構在荷載最不利組合下的作用效應與橋梁的極限承載能力進行對比分析。

表3 荷載橫向分布系數計算

美國橋梁承載能力檢算評定分為三個水準： 設計荷載評定、法定荷載評定和允許荷載評定，針對每一種評定方法選用不同的荷載及荷載效應系數[10]。第一水準評定為設計荷載評定,荷載采用美國橋梁設計規范規定的 HL-93 荷載，考慮強度極限狀態和正常使用極限狀態兩種。第二水準評定為法定荷載評定，荷載根據文獻[11] 規定的車輛和車道荷載取值或者根據美國各州規定的法定荷載情況取值。第三水準評定為允許荷載評定，是在至少滿足第二水準評定的前提下，評定橋梁通過特殊重載車輛的安全性，荷載根據特殊運輸重車的荷載取值。在文獻[12]中，橋梁檢算評估見式(1)。

(1)

式中：RF為橋梁分級系數；C為承載力， 對強度極限狀態C=φCφSφRn，并且要求φCφS≥0.85；對正常使用極限狀態C=fR；fR為應力允許值；Rn為名義構件抗力；DC為主體結構及附屬結構引起的恒載作用效應；DW為橋面鋪裝層引起的恒載作用效應；P為預應力效應；LL為活載效應；IM為荷載沖擊系數，根據實際情況進行折減；γDC、γDW、γP、γLL為對應荷載DC、DW、P、LL的荷載系數；φC為狀態因子,根據外觀調查情況確定的，用于考慮構件損壞裂化對承載力的折減；φS為系統因子，用于考慮冗余自由度對承載力的貢獻作用；φ為LRFD抗力因子。

AASHTO規范對結構進行評估時，重點是活荷載及結構抵抗活載效應的能力，橋梁結構荷載評定用分級系數RF表示，其判別準則為：

當RF>1，橋梁具有通過此大件運輸車輛的能力，橋梁安全；當RF<1，橋梁不具備通過此大件運輸車輛的能力。可以通過減小軸重，提高大件通過能力，或對橋梁進行適當的加固，提升橋梁結構承載能力。

美國規范針對所有庫存等級的橋梁，其承載能力評定公式中的結構抗力主要基于橋梁歷史檢測數據，通過調查橋梁上部結構類型、損傷狀況、不同的結構及抗力行為，采用狀態因子、系統因子和抗力因子來進行承載能力的折減，系數取值見表4。美國AASHTO規范中的荷載分項系數見表5。

表4 美國 AASHTO LRFR參數因子取值

表5 美國 AASHTO LRFR 鋼筋混凝土橋梁極限狀態及荷載分項系數

注：強度極限狀態I：車輛正常使用橋梁時的基本荷載組合；強度極限狀態II：特殊設計車輛或評價特許車輛時使用橋梁的荷載組合；使用極限狀態I：橋梁正常運營使用的荷載組合；使用極限狀態III：只涉及預應力混凝土中拉應力荷載組合；此處特殊車列容許荷載活載系數適用于單行道，橋上沒有其他車輛同行時的取值[11]。

由表4可知，美國橋梁評估對抗力的折減過程也存在著主觀因素, 系統因子考慮了冗余自由度的影響，有著更為嚴格的評估過程。其承載能力極限狀態荷載組合采用強度極限狀態II：1.25×恒載+1.1×大件運輸荷載。從基于美國規范修正的強度極限狀態下的有限元計算結果中提取縱橋向彎矩和橋梁承載能力值，并按照公式(2)繪制分級系數RF和主梁單元序號之間關系曲線圖(圖4)。

圖4 承載能力極限狀態分級系數分布

從圖4中可看出：在跨中附近，檢算評定分級系數RF<1，根據AASHTO規范，該橋梁不具備通過此大件運輸車輛的能力。

3.2 正常使用極限狀態下荷載控制

正常使用極限狀態下的荷載控制標準，是針對特重車通過橋梁結構以后，橋梁不能形成殘余的損傷或變形，對橋梁后期的正常運營和養護費用的降低具有重大的意義[13]。正常使用極限狀態下分析大件運輸車輛荷載控制標準時，應以AASHTO MBE LRFR(2011)為依據，采用作用使用極限狀態I和使用極限狀態III的荷載組合進行驗算評估，其檢算評估見式(2)。

(2)

式中參數同公式(1)。

大件運輸車輛通過橋梁時，橋梁上部結構荷載已經比較明確，同時，由于大件運輸車輛在橋面上行駛過程中實行交通管制，禁止行人及其他車輛通行，活荷載一項中僅考慮大件運輸荷載，不考慮人群荷載和其他活荷載。在對壓應力驗算時采用使用極限狀態I組合：1.0×恒載+1.0×大件運輸荷載。在對拉應力驗算時采用使用極限狀態III組合：1.0×恒載+0.8×大件運輸荷載。若相同車型大件車輛荷載超過此極限值時，應對橋梁結構實施加固或禁止此大件車輛通行。基于美國規范修正的正常使用極限狀態下壓應力和拉應力驗算結果見圖5。

(a) 壓應力

(b) 拉應力圖5 正常使用極限狀態分級系數分布

從圖5中可看出：在跨中附近，壓應力分級系數RF<1，根據AASHTO規范，該橋梁不具備通過此大件運輸車輛的能力。同時，也可以看出式(1)、式(2)所用分數形式，直接給出結構抗力和活載效應的比值, 易于了解承載力冗余或欠缺的程度。

4 中國橋梁承載能力評定方法

在中國，大件運輸橋梁承載能力評定常用的方法有等代荷載判別法[14]與實際荷載檢算法[15]。二者應用于大件運輸橋梁承載能力檢算評估時，有各自的適用條件和通過性控制標準。表6給出了兩種基于中國規范的橋梁承載能力評估方法。

4.1 實際荷載檢算法

實際荷載檢算法即分別計算出大件運輸車輛過橋時橋梁結構中的內力效應和原設計標準下結構的設計承載力，通過比較兩者的大小來判斷能否通過[15]。

表6 基于中國規范的承載能力評定方法

表6給出的承載能力計算公式采用引入檢算系數、承載能力惡化系數、截面折減系數的方法分別對極限狀態方程中的結構抗力效應和荷載效應進行修正[15-16]，則有式(3)。

(3)

式中：γ0為結構重要性系數；S為荷載效應函數；adc、ads為構件混凝土、鋼筋幾何參數值；R(,,)為抗力效應函數；Z1為承載能力綜合檢算系數；fd為材料強度設計值；ξe為承載能力惡化系數；ξc為截面折減系數(配筋混凝土結構)；ξs為鋼筋截面折減系數。

將式(3)中結構自重分項系數取 1.2，大件運輸荷載分項系數取 1.1，則有式(4)。

(4)

式中：SG為恒載效應；ST為大件運輸車輛活載效應。

由文獻[17]大件車驗算時根據不同技術狀況評定等級的既有橋梁承載能力修正系數見表7。

表7 橋梁承載能力修正系數

注：一類為完整和良好狀態；二類為較好狀態，輕度缺損，承載能力達到設計值；三類為較差狀態，重要部件缺損較多，次要部件嚴重缺損，承載能力低于設計值。

中國規范并沒有使用評估分級系數作為橋梁承載能力評定的結果。實際荷載檢算方法是參考文獻[15]，根據橋梁結構設計理論來評估現役橋梁的安全承載能力。然而該方法計算復雜，過程繁瑣，對于年代久遠缺乏圖紙的橋梁尚需嘗試恢復配筋參數后方可驗算。同時，大件運輸車輛通行沿線橋梁類型眾多，時間緊迫，如果每次車輛通行都逐一進行檢算費時費力，嚴重影響交通管理部門對大件運輸車輛過橋的審批效率，在實際工作中難以廣泛推廣應用[13]。

4.2 等代荷載法

等代荷載判別法是在相同跨徑用相同的影響線分別計算出大件運輸車輛和標準車輛荷載的等效荷載作用效應，將二者進行比較，來判別大件運輸車輛能否安全通過橋梁[2]。本次大件運輸項目通過的橋梁建成通車不久，橋梁各構件承載能力劣化較弱，橋梁的實際狀態與原設計標準下結構的設計承載力相差不大，故選用等代荷載計算法比較簡便。它能夠比較準確、快速地識別橋梁的通行能力，從而提高運前評估效率[18]。由有限元計算結果提取超重車產生的內力、標準荷載產生的內力，從而得到內力比較系數μ的分布規律見圖6。

圖6 內力比較系數分布

由圖6知，內力比較系數μ>25 %，因此該橋不允許超重車輛通行，若必須通過時，應采取合理的加固或維修措施來保證大件運輸車輛過橋的安全[19]。

5 結論

本文分析比較了中美兩國在預應力簡支T梁橋大件運輸車輛通過時的安全性評估方法，可獲得以下結論：

(1)美國橋梁大件運輸評估使用分級系數RF作為橋梁承載能力評定的結果，公式采用分數形式，直接給出結構抗力和活載效應的比值，易于了解承載力冗余或欠缺的程度。

(2)結合大件運輸車輛實際通行情況并基于安全考慮，在現役橋梁的大件運輸的分析中，中美規范大件運輸活載系數都取值1.1。

(3)考慮到橋梁的不同技術狀態對其承載能力的影響，基于中國規范的實際荷載驗算法采用檢算系數、承載能力惡化系數、截面折減系數等方法分別對極限狀態方程中的結構抗力效應和荷載效應進行修正，但其計算過程比較復雜、效率低下且準確評定橋梁技術狀況等級具有很大的主觀性。

(4)基于中國規范的等代荷載法能夠比較準確、快捷地評估橋梁的通行能力，從而提高大件運輸運前評估效率。

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國家重點研發計劃(項目編號:2016YFB1200401)；四川省科技計劃項目(項目編號: 2017GZ0366)

唐利科(1992～)，男，碩士；石玉燦(1992～)，男，碩士，主要從事橋梁工程研究。

占玉林(1978～)，男，博士，副教授，從事橋梁結構行為方面的研究。

U446.3

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[定稿日期]2017-05-19