大件運輸中橋梁通行能力評估的思路和方法

孫 玉，吳 薇

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.濟南市第二公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟南 271100）

引言

大件運輸是指載運不可解體物品的超限運輸[1]。由于受環(huán)境和技術等條件影響導致大型物件無法拆解運輸，總重或軸重往往遠超出現有公路橋梁設計荷載等級，給運輸沿線橋梁結構的運營安全造成了極大的安全隱患。為解決這一問題，運輸過程經常采用多軸液壓軸線車，以達到降低軸重的目的。由于液壓軸線車軸數的增加還受到道路寬度、轉彎半徑影響，不能為降低軸載而無限制地增加軸數。《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》（交通運輸部2016年第62號令）中第十七條對液壓軸線車的軸重作出明確規(guī)定：若采用多軸多輪液壓平板車運輸，車輛每軸線（一線兩軸八輪胎）的平均軸荷超過18 000 kg或者最大軸荷超過20 000 kg，公路管理機構應當依法作出不予行政許可的決定。液壓軸線車軸距小荷載密度較大，在運輸過程中橋梁承載能力并不明確，需要根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）[2]等對運輸路線上的橋梁結構進行承載能力評定，保證橋梁的運營安全。

1 橋梁通行能力評估流程

（1）需要搜集完整的橋梁圖紙，包括詳細的橋梁設計圖紙資料和設計資料，對于部分建設年代久遠的橋梁，若不能搜集到橋梁設計資料，需要測量結構尺寸等基本的結構參數。（2）需要進行橋梁技術狀況評定及材質狀況與狀態(tài)參數檢測，依據資料選擇適合方法進行承載能力的初步評估，確定橋梁的理論通行能力。（3）綜合橋梁通行能力評價結果及現場環(huán)境實際情況，提出科學、經濟、有效的維修加固與通行位置的解決方案。大件運輸中橋梁通行能力評估的總體流程見圖1。

圖1 橋梁結構通行能力評估流程

1.1 確定大件運輸參數

（1）貨物參數主要包括貨物重量、貨物尺寸（長、寬、高）等。（2）運輸車輛參數包括運輸車輛和車板的種類，平面尺寸、橫向、縱向軸距、軸數、輪數等，以及車板可調整的最大最小高度等。

1.2 橋梁結構資料

橋梁結構資料主要包括原始資料和后期運營和改建資料。原始資料主要包括橋梁設計圖紙資料、地址資料和施工資料，通常可從橋梁管養(yǎng)部門或設計單位獲取；后期運營和改建資料包括橋梁建成后的運營資料、維修保養(yǎng)資料和改擴建資料等，通常需要從橋梁管養(yǎng)部門獲取。

1.3 橋梁缺損狀況檢查、材質狀況與狀態(tài)參數檢測評定

對于橋梁數量較多的情況，在參數指標檢測后結合收集到的橋梁基本資料，按照跨徑組合、材料、截面型式、結構類型、檢測結果、資料搜集等狀況進行分類，將同種類型的橋梁進行匯總歸納，選擇適合的驗算方法，從而達到簡化計算和優(yōu)化工作流程。

1.4 橋梁承載力評定階段

如果橋梁設計資料齊全，優(yōu)先采用實際荷載驗算法；若部分橋梁沒有設計資料，但通過現場實測確定了主要結構尺寸和鋼筋布置狀況等信息，可以采用荷載效應比較法或者修正的等代荷載法進行初步承載力評估。

承載力計算開始前必須制定前置條件和相關約定，由于《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中未對大件運輸荷載做出條文說明，通常參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTJ 023-85）4.1.2-2中平板掛車或履帶車的分析系數計算液壓軸線車荷載效應。由于超重車總重通常遠遠大于日常運營通行車輛，在分析前對計算要點進行統(tǒng)一。

1.5 橋梁加固設計階段

若橋梁承載能力不能滿足大件運輸要求，要根據橋梁承載能力評定結果采取一定加固補強措施。加固方法不止一種，則需要進行比選，選擇最優(yōu)加固方案。加固或改造措施應當盡量遵循：“優(yōu)先采用臨時措施，便于實施、拆除和可回收利用” 的原則。由于大件運輸車輛屬于特殊荷載，通常采取區(qū)域性加固方法，即在滿足通行的前提下，走哪里加固哪里。合理的加固方案不僅要根據承載力驗算結果，還要考慮運輸次數、所在線路的運營狀況、維修改造計劃等信息綜合確定。

1.6 加固效果評估及運輸過程的監(jiān)測

對采取加固措施的橋梁、承載能力安全儲備小的橋梁、運輸線路上特別重要的橋梁，可進行橋梁荷載試驗或在模擬運輸過程中對撓度、應變、裂縫狀況進行觀測，以準確評定結構的實際承載能力。若在運輸過程中出現了可能影響結構承載力的關鍵病害，應及時進行運輸過程中實時監(jiān)測，對病害進行跟蹤觀測，以便對結構運輸安全性作出準確評價。

1.7 運輸后橋梁狀況評估

大件運輸車輛通行后，應對橋梁外觀狀況進行及時觀測，評價大件運輸車輛通行對結構的影響。若有必要，可對某些橋梁進行特殊檢查或荷載試驗，確保大件運輸完成后橋梁結構安全運營。

2 大件運輸橋梁承載能力評定的常用方法

大件運輸沿線橋梁通行能力評定常用的方法有實際荷載驗算法、修正的等代荷載法[3]、荷載效應比較法和荷載試驗法。

2.1 實際荷載驗算法

通過對大件運輸車輛過橋時，橋梁結構的內力效應和原設計標準下結構的設計承載力進行對比，判斷橋梁結構的承載能力是否滿足大件運輸車輛通行要求。由于承載能力驗算反映了結構抗力效應與作用效應的對比[4]，而在橋梁設計階段，結構安全性一般來說都是偏于保守的，材料參數取值、計算方法等都有一定安全儲備，實際承載能力會高于設計荷載等級要求。但經過長時間運營，材料會發(fā)生一定程度退化，橋梁結構可能會出現降低承載能力或影響結構耐久性病害，因此需要對結構的承載能力進行修正。實際荷載驗算法是目前判斷大件運輸車輛是否安全通行最為準確的承載力評定方法。

式中：γ0—結構的重要性系數；S—荷載效應函數；R（）—抗力效應函數；fd—材料強度設計值；adc—構件混凝土幾何參數值；ads—構件鋼筋幾何參數值；Z1—承載能力檢算系數；ξe)—承載能力惡化系數；ξe—配筋混凝土結構的截面折減系數；ξe—鋼筋的截面折減系數。

在使用該方法計算過程中，需要計算恒載效應、特載車效應、結構折減后的抗力，直觀判斷通行情況。對于一些設計圖紙、地質資料等缺失或不全的橋梁，該判定方法不宜使用，需根據資料搜集情況選擇其他評定方法。實際荷載驗算法要求對每種結構逐一驗算，若大件運輸路線長，沿線橋梁數量多、橋型多、跨徑多，使用實際荷載計算法工作量會明顯增大，特別每座橋梁的地質情況都千差萬別，橋梁下部結構計算工作量比較巨大，其快捷性和簡易性上存在有較大不足。目前高速公路或新建國省道干線公路橋梁結構相對統(tǒng)一，實際荷載驗算法是優(yōu)先采用的方法，但不適用于橋梁較多、結構型式復雜運輸路線的橋梁承載力計算。

2.2 荷載效應比較法

通過理論計算，既可以得到設計荷載下的車輛或車道荷載效應，又可以計算超重車產生的荷載效應，因此在進行通行能力評價時，只需把超重車效應和設計荷載下的車道或車輛荷載效應進行對比，從而判斷橋梁結構的通行能力。

式中：SC—超重車荷載效應值；SQd—汽車荷載效應設計值。判別標準為當μ≤1.05，超重車具有容許通過權；當μ＞1.05，超重車喪失通過權。

某些橋梁結構在大件運輸車輛通行時，設定行駛位置為居中行駛，若適用于整斷面進行承載能力評定，直接可以對荷載效應進行對比，這將大大簡化計算，提高工作效率。但對于裝配式結構，在計算設計荷載效應時，首先需要設定車輛通行時的行駛區(qū)域，進而計算最大的橫向分布系數，同時要根據結構特點確定沖擊系數，綜合確定設計荷載。對大件運輸車輛的荷載效應，同樣需要考慮設定行駛區(qū)域，從而確定大件運輸車輛通行時橫向分布系數，并考慮一定的荷載安全系數，從而確定大件運輸車輛荷載效應。

荷載效應比較法，僅需要計算汽車荷載效應和超重車荷載效應，通過比較得到能夠滿足通行或可能不滿足通行的結論。該方法無需計算結構抗力，也可以用于設計資料不全的橋梁。若超重車效應小于設計荷載效應，結構肯定能夠滿足通行，若結論為超重車效應大于汽車荷載效應，也不能判定結構不能滿足通行，還需要按照實際荷載驗算作出進一步判斷，同時對于三類及以下技術狀況較差的橋梁不宜采用，荷載效應比較法僅能作為初步判斷。

2.3 修正的等代荷載法

就廣義而言，等代荷載法就是在同一跨徑用同一種影響線分別計算出大件運輸車輛和標準車的等代荷載，將兩者進行比較，以判別大件運輸車輛能否安全通過橋梁或橋梁是否需要進行加固[5]。等代荷載可以看做效果相同或近似的荷載間的代換，例如用均布荷載來代替密集的人群荷載，而公路橋涵標準車輛的等代荷載通常指用滿布的均勻荷載來代替其他形式的荷載，例如集中荷載。而目前橋梁計算中，占絕大多數的中小跨徑橋梁，不管是現澆箱梁，還是裝配式板梁橋，均需要考慮荷載的橫向分布，把對整橋承載力的評定轉化為單梁的承載力評定。

修正的等待荷載判別法指考慮大件運輸車輛和設計荷載的橫向分布系數、沖擊系數、荷載安全系數等因素條件下，在同一跨徑或荷載長度用同一影響線分別計算出超重車和標準車（設計荷載）的等代荷載，并將兩者比較，從而判定大件運輸車輛能否安全通過橋梁[6]。由于目前大多數橋梁均采用了裝配式結構，因此需要根據橋梁圖紙計算橫向分布、沖擊系數等。修正的等代荷載法并不能有效簡化計算，同時在選擇影響線計算方法時要考慮到大件運輸車輛和標準車輛（車道）的區(qū)別，有時反而會放大計算誤差。因此，修正的等代荷載法并不能有效簡化計算，和荷載效應比較法相同。同時修正的等待荷載法未能克服荷載效應比較法的局限，不能對通行能力作出最終判斷，僅能作為初步判斷，按照修正等代荷載比較法判定為不具通行權的橋梁，仍需按照實際荷載驗算法進行最終的承載能力判定。

2.4 荷載試驗法

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）有關內容，通過實際荷載檢算分析確定橋梁結構或構件的作用效應大于抗力效應且超過幅度在20% 以內的橋梁，可預判結構承載能力存在不滿足要求的可能性。由于在結構驗算時，材料參數取值等均留有一定的安全儲備，若想檢驗橋梁結構實際承載能力，應通過荷載試驗進一步評定。荷載試驗法既能檢驗大件運輸車輛是否能夠通行，又能對結構裂縫情況進行觀測，同時還能較為準確評定結構的安全儲備情況。但評定較為復雜，通常需要大量設備儀器、短時間中斷交通，試驗費用較高。

3 通行能力評估結果的分類

必須綜合考慮上部結構和下部結構綜合評定橋梁結構的通行能力。根據評估結果得出運輸沿線橋梁是否具有通行權、是否需要設定條件、是否需要橫向限定通行區(qū)域，還是要求超重車輛嚴格按照指定路線行駛，由此將通行權判定結果進行分類：（1）任意通行：通過對上部結構、下部結構驗算，超重車通過橋梁結構時，超重車產生的荷載效應均小于抗力，結構安全儲備充足，超重車輛通行橋梁時，無需對行駛位置進行限定。（2）條件通行：綜合橋梁檢測和承載力驗算結果，超重車輛必須在指定區(qū)域或嚴格按照指定位置行駛。（3）喪失通行權：根據橋梁檢測或承載力驗算結果，橋梁結構不能滿足超重車通行。

4 結語

大件運輸中橋梁承載力評價是系統(tǒng)工程，面對沿線眾多橋梁，必須注意分類總結，理清檢測評定思路，綜合運用各種承載力評定方法，既要關注理論計算，又要掌握橋梁實際病害和特點，確保大件運輸科學、合理、經濟完成。