重載車輛荷載對已建中小跨徑梁橋的影響分析

■雷明雪

（河北省高速公路石安改擴建籌建處，石家莊 050000）

1 前言

近年來，我國在交通量增長的同時，公路貨運車輛呈現(xiàn)向更多軸數(shù)發(fā)展的態(tài)勢，車輛載重隨之增加。此外，高速公路車輛超限運輸普遍存在[1]，額定8～10t的車輛經改裝后，實際載重可達 40～50t，單軸載達到了 15～20t。 超限車輛中，以個體運輸車輛居多，又以運輸建材、煤炭等大宗貨物的車輛超限最為嚴重[2]。超限運輸對該類梁橋的危害較大，主要體現(xiàn)橋梁在早期階段出現(xiàn)各種結構裂縫、結構承載能力降低、影響橋梁通行、引起橋梁垮塌、造成人員傷亡和財產損失等方面[3]。

關于超限車輛對中小跨徑梁橋結構受力影響的研究方面，林益恭[4]通過對廣東5條高速公路的車輛調查對結構承載能力進行分析，大部分橋梁結構在超載車流作用下拉應力大于規(guī)范限值，且承載能力未能達到應有的安全儲備。OBrien E.J.[5]考慮車重、軸距、路面粗糙程度和橋梁跨徑等因素，基于實測車輛數(shù)據(jù)并采用蒙特卡洛法模擬生成交通荷載，計算中小跨徑橋梁在最不利汽車荷載作用下的空間響應。劉為公[6]認為重載交通不會立即導致橋梁結構的破壞，但長期作用下必然對其安全和耐久性能構成潛在威脅。黨棟、賀拴海[7-8]通過車輛調查數(shù)據(jù)建立荷載模型，比照隨機車流與現(xiàn)行規(guī)范標準值分別作用下橋梁的荷載效應極值，廣深高速、河北某收費站測點和深港大橋調查得到的車輛荷載分別是公路-I級荷載效應的3倍、1.6～2.0倍和1.0倍，說明規(guī)范荷載與調查路段實際運營的車輛荷載在某些地域并不匹配。許肇峰[9]基于廣東省5條高速的數(shù)據(jù)建立符合實際交通運營狀況的車輛模型，實測車輛荷載作用下的活荷載效應約為04規(guī)范設計荷載的1.4倍，且隨著橋梁計算跨徑的減小，活載與設計荷載的比值增大。

綜上所述，國內外學者從不同角度分析得到實際運營車輛荷載與現(xiàn)行規(guī)范的標準汽車荷載間的關系，但由于我國各區(qū)域發(fā)展水平及貨運需求存在差異，各路段的貨運車輛呈現(xiàn)截然不同的荷載特征，因此，針對具有重載交通特性的高速公路，分析既有橋梁的運營車輛荷載，對比公路橋涵設計驗算荷載與重載車輛荷載對中小跨徑梁橋荷載效應的影響，為重載交通地區(qū)的橋梁設計提供數(shù)據(jù)參考，以確保高速公路的安全運營具有重要意義。

為此，本文基于動態(tài)稱重法得到的某高速公路改擴建工程重載交通車輛荷載模型，建立已建中小跨徑混凝土簡支梁橋有限元模型，對比分析重載車輛荷載與89規(guī)范汽車-超20荷載對各跨徑梁橋的荷載效應，得到重載車輛相對于89規(guī)范汽車-超20荷載的彎矩、剪力和撓度的效應提高系數(shù)，分析重載交通對已建梁橋的影響。

2 工程概況

某高速公路改擴建工程，遵循“老橋老標準，新橋新標準”和盡量利用原橋涵的原則進行既有橋梁加固和新建橋梁的結構設計。新橋及擴建橋梁設計計算采用04規(guī)范公路-Ⅰ級荷載，為改善舊橋受力性能，加固設計主要包括橋面整體化鋪裝加固和鉸縫改造等，設計活載為汽車-超20，驗算荷載采用掛車-120。

對于空心板舊橋，采取整體化鋪裝層加固，即通過增加橋面鋪裝混凝土厚度，加強鋪裝層內橫向鋼筋，增加鉸縫鋼筋等措施提高梁體承載力，減小結構應力與變形[10-11]。對于跨徑為10m、13m的鋼筋混凝土空心板，先將原來的橋面鋪裝拆除，采取種植鋼筋的方式，鋪設厚度為22cm的鋼筋混凝土橋面鋪裝，鋪裝內布設兩層鋼筋網(wǎng)，最后在22cm厚的鋼筋混凝土橋面鋪裝上面鋪設厚度為10cm的瀝青鋪裝 （見圖1）；對于跨徑為16m、20m的預應力混凝土空心板，加固的方式為采取種植鋼筋的方式，鋪設厚度為12cm的鋼筋混凝土橋面鋪裝，在12cm厚的鋼筋混凝土橋面鋪裝上面再鋪設厚度為10cm的瀝青鋪裝（見圖2）；上部梁板與新增鋼筋混凝土橋面通過種植鋼筋的方式相連形成整體，共同受力，改善了板梁的橫向分布。

圖1 跨徑10m及13m空心板加固改造后橫斷面圖

圖2 跨徑16m及20m空心板加固改造后橫斷面圖

對于T梁橋，原舊橋分別根據(jù)《公路橋涵設計圖-裝配式鋼筋混凝土T型梁》（JTGQS 025-1984）中跨徑20m的鋼筋混凝土T梁標準圖和《公路橋涵設計圖-裝配式預應力混凝土簡支梁》（JTGQS 024-1983）中跨徑25m，30m，35m和40m的預應力混凝土T型梁標準圖建造。上部結構均采用5片梁，橋面寬度10.98m，主梁間距2.20m，預制梁高分別為1.5m，1.75m，2.0m，2.25m和2.5m，橋面鋪裝采用8cm的200號混凝土與4cm瀝青混凝土。由于舊T梁橋服役狀況良好，因此，拼寬前未進行加固。

3 重載交通與89通規(guī)中汽車荷載的規(guī)定

以某高速公路的車輛為調查對象，采用動態(tài)稱重法對實地交通流量及軸載進行長時間調查，運用數(shù)理統(tǒng)計與概率方法對該路段的車輛荷載特征進行統(tǒng)計分析，確定了車輛的概率分布并得到重載車輛荷載模型。其中，主車模型（1+1軸型的2軸貨車）和重車模型（1+2+3軸型的6軸貨車）分別示于圖3和圖4，所組成重載交通下的汽車車隊縱向排列示于圖5。

《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021-1989）中汽車荷載以車隊表示，其中最大荷載等級為汽車－超20，由一輛總重55t的五軸車和若干輛總重20t的雙軸車組成[2]，車隊布置見圖6。

圖3 主車模型

圖4 重車模型

圖5 重載交通下的汽車車隊縱向排列

圖6 89規(guī)范中汽車－超20荷載圖

4 有限元計算模型

運用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/Civil建立經整體化鋪裝改造的簡支空心板和簡支T梁舊橋空間有限元模型，部分有限元模型見圖7。建模方法采用梁格法，橋梁空間梁格體系由結構縱梁和不計自重的虛擬橫梁組成，T梁橋還在端部、L/4、L/2位置處設置了橫隔板。主梁與支座、主梁頂面與整體化鋪裝混凝土之間的邊界條件采用彈性連接中的剛性連接進行模擬，永久支座采用一般支承模擬。

永久作用考慮結構自重、二期恒載、預應力荷載和混凝土10年收縮和徐變作用。其中，單側墻式防撞護欄重量取值為8.5kN/m，混凝土鋪裝層容重取25kN/m3，瀝青混凝土鋪裝層容重取24kN/m3。活載主要考慮汽車荷載和豎向溫度梯度，其中，橋面車道依據(jù)最不利布載原則采用雙車道偏載布置，豎向溫度梯度按規(guī)范取值。

5 荷載效應對比分析

5.1 重載車輛荷載與恒荷載效應對比

為分析重載車輛荷載對已建中小跨徑梁橋荷載效應的影響程度，分別提取重載車輛（計入沖擊系數(shù)）與恒荷載作用下中小跨徑梁橋的單項荷載效應數(shù)據(jù)，見圖8。

荷載效應比值（重載車輛荷載/恒荷載）隨跨徑的變化趨勢見圖9，從圖9中可以看出：對于空心板橋，重載車輛對10m跨徑的空心板橋作用效應為恒荷載作用效應的1.74～2.29倍，當跨徑增大到20m時，效應比值下降至0.71～0.81；對于T型梁橋，重載車輛對20m跨徑的 T型梁橋作用效應為恒荷載作用效應的1.19～1.63倍，當跨徑增大到40m時，效應比值下降至0.72～0.76；從總體上看，梁橋的跨徑越小，移動荷載與恒荷載的比值越大，超限車輛對結構承載能力的影響越顯著。

圖7 部分已建梁橋有限元模型

圖8 重載交通與恒荷載作用下邊梁靜力效應對比

圖9 重載車輛荷載與恒荷載的效應比值

5.2 重載車輛荷載與89規(guī)范汽車-超20荷載效應對比

在重載車輛荷載和89規(guī)范汽車-超20的偏載作用下，主橋上部結構邊梁的荷載效應對比如圖10。可以看出，中小跨徑梁橋在移動荷載作用下的內力與撓度均呈現(xiàn)出隨著跨徑增大而增大的趨勢，且重載車輛荷載的作用效應均大于89規(guī)范汽車-超20的荷載效應。

將89規(guī)范汽車-超20的荷載效應與重載車輛荷載效應進行對比，如圖11所示。重載車輛荷載作用下各跨徑梁橋荷載效應與89規(guī)范汽車-超20荷載的效應比值均大于1，且呈現(xiàn)隨跨徑的減小而逐漸增大的趨勢；對于10m至40m跨徑的簡支梁橋，重載車輛作用產生的撓度、彎矩、剪力效應分別為89規(guī)范汽車-超20荷載效應的1.22～1.44 倍、1.28～1.49 倍和 1.14～1.32 倍，按最不利設計考慮可近似取1.45倍、1.50倍和1.35倍；對具有該重載交通特性的簡支梁橋進行結構維修養(yǎng)護以及加固設計時，重載車輛作用產生的效應可保守地按89規(guī)范汽車-超20荷載作用效應的1.50倍取值。

圖10 已建中小跨徑梁橋在移動荷載作用下的邊梁靜力效應對比（計入沖擊）

圖11 重載車輛荷載與汽車-超20荷載效應比值

6 橋梁承載能力極限狀態(tài)驗算

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）對加固后舊橋承載能力進行驗算。計算結果如圖12所示。從驗算結果可知：（1）在重載車輛作用下，各跨徑梁橋的斜截面抗剪承載力滿足要求，經整體化鋪裝加固的10～20m空心板和跨徑為40m的T梁正截面抗彎承載力滿足要求，而跨徑為20～35m的T梁橋計算彎矩略大于承載能力；（2）各跨徑梁橋的承載能力富余程度隨著橋梁跨徑的增大而增大，且抗剪承載力富余量大于抗彎承載力。

圖12 各跨徑梁橋承載能力驗算結果

7 結論

（1）對于空心板橋，重載車輛對10m跨徑的空心板橋作用效應為恒荷載作用效應的1.74～2.29倍，當跨徑增大到20m時，效應比值下降至0.71～0.81；對于T型梁橋，重載車輛對20m跨徑的T型梁橋作用效應為恒荷載作用效應的1.19～1.63倍，當跨徑增大到40m時，效應比值下降至0.72～0.76。因此，梁橋的跨徑越小，重載交通荷載與恒荷載效應的比值越大，超限車輛對結構承載能力的影響越顯著。

（2）重載車輛荷載作用下各跨徑梁橋荷載效應與89規(guī)范汽車-超20荷載的效應比值呈現(xiàn)隨跨徑的減小而逐漸增大的趨勢；對于10m至40m跨徑的已建簡支梁橋，重載車輛作用產生的撓度、彎矩、剪力效應分別為89規(guī)范汽車-超 20荷載效應的1.22～1.44倍、1.28～1.49倍和1.14～1.32倍，按最不利設計考慮可近似取1.45倍、1.50倍和1.35倍。因此，對具有該重載交通特性的簡支梁橋進行結構維修養(yǎng)護以及加固設計時，重載車輛作用產生的效應可保守地按89規(guī)范汽車-超20荷載作用效應的1.50倍取值。

（3）對各跨徑梁橋的承載能力驗算結果表明，重載車輛作用下，各跨徑梁橋的斜截面抗剪承載力滿足要求，經整體化鋪裝加固的10～20m空心板和跨徑為40m T梁正截面抗彎承載力滿足要求，而跨徑為20～35m的T梁橋計算彎矩略大于承載能力。

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