大件運輸車通過臨時鋼棧橋的安全評估

鄭德糧

（北京九通衢檢測技術股份有限公司，北京 100070）

1 引言

大件運輸車輛的荷載效應遠大于《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）中規定的荷載效應，車輛過橋其安全性是非常重要的問題。采用科學、合理的過橋安全評估方案，判定橋梁的承載力狀況，是整個大件運輸過程中最為關鍵的環節。

許多學者對大件運輸車過橋問題進行了研究。劉堯[1]對大件運輸車的路線選擇、公路橋梁承載能力評估檢算方法、荷載試驗評估方法和橋梁加固方法進行了研究，并進行了實際工程驗證。楊寧[2]提出了依靠“危險截面撓度法”來驗算大件運輸車輛過公路橋的可行性。李智斌[3]對中小跨徑PC 簡支梁公路橋大件運輸荷載控制標準進行了研究，提出了既有橋梁大件運輸的荷載控制標準。Liu Simeng[4]針對拱橋開發了一種配種平衡技術，將經過計算的輔助載荷放置在結構上，而不用采用增加截面進行加固，證明重型車輛可以通過橋梁，為大件運輸車通過拱橋提供了有效方案。姚明強[5]介紹了基于大件運輸的公路橋梁通過性及通行方法研究，重點對大件運輸路線的選擇、橋梁的承載力評定情況和承載能力不足的橋梁加固方法進行了全面的研究。劉波等[6]對運輸過程中的公路橋梁的動力響應進行實時監測，并利用有限元軟件ANSYS進行了求解，研究成果對研究大型物件過橋時車橋耦合振動具有重要借鑒意義。趙慶云等[7]通過荷載效應比較法建立橋梁快速評估數據庫，形成不同設計荷載、不同結構型式的常規橋梁的超重系數圖譜，為開發大件運輸通行橋梁快速評估系統提供算法基礎。孫玉[8]闡述了大件運輸的總體思路，分析了幾種常用評估方法的原理、優缺點及適用條件，并對通行能力評估結果進行了合理分類。劉林[9]針對大件運輸車輛對經過的橋梁是否造成損害及損害程度問題，分別從橋梁承載能力和可靠度評估角度，對梁橋技術狀況和可靠度指標等進行了評估分析。

可以看出，現有研究主要針對公路橋梁，缺少大件運輸車通過臨時鋼棧橋的研究。本文依托風力發電機組大件運輸車通過黃巖區長決線黃永橋旁的臨時鋼棧橋項目，對大件運輸車通過臨時鋼棧橋的安全評估進行了研究。

2 工程概況

為了開發浙江省黃巖地區的風能資源，擬安裝2000kW 的風力發電機組，將發電機組零件運往目的地，需經過黃巖區長決線黃永橋旁的臨時鋼棧橋。該橋為2016 年建造完成，一期工程運輸之后將該橋梁封閉。為了本工程的正常運輸，通過橋梁現狀調查及承載能力驗算，評價臨時鋼棧橋結構在運輸車輛荷載作用下的工作情況，并確定車輛的最佳行車軌跡（圖1～圖3）。

圖1 鋼棧橋右側立面示意圖（cm）

圖2 鋼棧橋平面示意圖（cm）

圖3 鋼棧橋橫斷面示意圖（cm）

鋼棧橋全橋為鋼構件焊接而成，上部結構采用縱橫梁格結構，56b工字鋼主梁為主要受力構件，1跨～5跨（從右至左編號）每跨縱向布置7 根，第6 跨縱向布置5根。工字鋼縱梁上架設20b工字鋼橫梁，上鋪鋼板作為橋面。橋梁下部結構為鋼管柱和56b 工字鋼橫梁作為橋墩，每個橋墩設置3 根鋼管柱，墩柱鋼板厚度為15mm，內灌注混凝土。橋面鋪裝層鋪設8mm鋼板。

3 運輸車輛概況

經對運輸車方案比選，本次運輸車輛采用后六線十二軸平板車。運輸車輛總長29m，寬度3m。運輸車輛重42t，運輸貨物重78t，總重為120t，2M 風機葉片實際轉盤到后輪長24m（圖4）。

圖4 運輸車輛及荷載分布示意圖（cm）

4 鋼棧橋現狀調查

上部構件主要病害為全橋主梁構件涂層出現起皮、脫落現象，構件表面發生輕微銹蝕。下部主要病害為橋墩柱頂橫梁構件涂層出現起皮、脫落現象，構件表面發生輕微銹蝕，立柱表面涂層少量剝落，2#、3#立柱底部受火熏黑，損傷程度輕微。橋墩混凝土基礎主要病害為橋墩混凝土基礎沖刷，2#墩混凝土基礎出現掏空，掏空深度為0.5m，3#墩混凝土基礎出現輕微沖刷，未見掏空，4#墩混凝土基礎下游側出現輕微沖刷，掏空深度0.2m。橋面主要病害為橋面鋼板表面出現輕微銹蝕，3塊鋼板與橫向分配梁出現多處焊縫脫落，1塊鋼板隆起變形。

5 承載能力檢算

5.1 驗算模型

根據橋梁結構尺寸以及平面位置，利用Midas civil建立本鋼棧橋的分析模型。主梁采用I56b 工字鋼截面，橫向分配梁采用I20b 工字鋼，樁頂分配梁采用三榀I56b 工字形截面。橋墩采用700mm×15mm 鋼管樁，偏安全不考慮內部混凝土（圖5）。

圖5 鋼棧橋計算模型

邊界條件：鋼管墩底采用固結，三榀I56b 橫梁與主梁以及主梁與I20b 橫向分配梁采用彈性連接，橋梁兩側與橋臺采用固定線位移釋放轉動。

荷載包括自重、橋面鋼板重量、運輸車荷載。運輸車行車道按照中載、內偏載與外偏載三種方式布置：中載為沿著橋梁中心線行使，內偏載為運輸車靠內側行駛，內側車輪距離橋梁內側邊線1m；外偏載為運輸車靠近外側行駛，外側車輪距離橋梁外側邊線為1m（圖6）。

圖6 車道布置情況

考慮到此橋為臨時結構，承載能力極限狀態基本組合為：1.2自重+1.4運輸車荷載；正常使用極限狀態驗算采用標準值組合為：1.0自重+1.0運輸車荷載。

5.2 車道位置對結構受力的影響

依據內側、中間、外側三個車道位置下的主梁應力，對車道位置進行了分析，三個車道位置下，運輸車產生的應力如圖7～圖9所示。

圖7 運輸車沿著內側行駛下的主梁應力

圖8 運輸車沿著中間行駛下的主梁應力

圖9 運輸車沿著外側行駛下的主梁應力

由圖7～圖9 可以看出，大件運輸車沿著臨時鋼棧橋內側車道行駛時，主梁的最大應力為114.2MPa；沿著臨時鋼棧橋中間車道行駛時，主梁的最大應力為113.7MPa；沿著臨時鋼棧橋外側車道行駛時，主梁的最大應力為135.9MPa。由于橫向分配梁I20b 的剛度較小，導致主梁受力不均，沿著中間行駛最為安全，因此按照車輛沿著橋梁中心線行駛進行驗算。

5.3 橋面板強度驗算

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時第2跨～第5 跨橋面板應力相近第1 跨，第6 跨橋面板最大應力較小，各跨橋面板最大正應力為90.5MPa。由于橋面鋼板除了表面出現輕微銹蝕還存在3 塊鋼板與橫向分配梁出現多處焊縫脫落、1 塊鋼板隆起變形。依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2條[10]，橋面板缺損狀況評定標度為3，Z1取值0.9，橋面板鋼材為Q235b，容許應力為190MPa，檢算容許應力為：Z1[σ]=0.9×190MPa=171 MPa。橋面板最大正應力90.5MPa＜171MPa，強度滿足要求（圖10）。

圖10 中間車道位置行駛時各跨橋面板應力

5.4 橋面橫向分配梁強度驗算

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時第2跨～第5跨橋面I20b橫向分配梁的受力狀態相近，且最大應力大于1 跨、第6 跨I20b 橫向分配梁的最大應力，橋面I20b 橫向分配梁的最大應力為142.5MPa。橫向分配梁普遍存在涂層出現起皮、脫落現象，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2條[10]，I20b 橫向分配梁缺損狀況評定標度為2，Z1取值0.95，I20b 橫向分配梁鋼材為Q235b，容許應力為190MPa，檢算容許應力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。橋面I20b橫向分配梁的最大應力142.5MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求（圖11）。

圖11 中間車道位置行駛時橋面橫向分配梁應力

5.5 主梁強度驗算

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時主梁最不利斷面出現在第2跨～第5跨，I56b主梁的最大應力為175.3MPa。主梁普遍存在涂層出現起皮、脫落現象，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 條[10]，主梁缺損狀況評定標度為2，Z1取值0.95，I56b主梁鋼材為Q235b，容許應力為190MPa，檢算容許應力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。I56b 主梁的最大應力175.3MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求，但主梁最大應力已接近檢算容許應力，安全儲備較小（圖12）。

圖12 中間車道位置行駛時主梁應力基本組合

5.6 墩頂橫向分配梁強度驗算

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時墩頂橫向分配梁最不利斷面在5#墩外側兩個立柱之間，最大正應力為32.8MPa。墩頂橫向分配梁普遍存在涂層出現起皮、脫落現象，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 條[10]，墩頂橫向分配梁缺損狀況評定標度為2，Z1取值0.95，墩頂橫向分配梁鋼材為Q235b，容許應力為190MPa，檢算容許應力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。墩頂橫向分配梁的最大應32.8MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求（圖13）。

圖13 中間車道位置行駛時墩頂橫向分配梁應力

5.7 橋墩強度與穩定性驗算

承載能力極限狀態下，橋墩的應力如圖14所示。

圖14 中間車道位置行駛時各墩柱應力

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時墩柱最大正應力出現在5#墩中間立柱，最大正應力為42.3MPa。墩柱普遍存在涂層出現起皮、脫落現象，依據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 條[10]，墩柱缺損狀況評定標度為2，Z1取值0.95，墩柱鋼材為Q235b，容許應力為190MPa，檢算容許應力為：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。墩柱的最大應力42.3MPa ＜180.5MPa，強度滿足要求。

圖15 中間車道位置行駛時各墩柱支反力

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時最大支反力F 出現在5#墩中間立柱，為609kN。鋼管橋墩采用Φ700mm×15mm，抗彎慣性矩l=1.29×10-3m4，采用Q235 鋼，σp=200MPa，σs=235MPa，E=210GPa，按保守采用最長樁長l=10m 作為計算長度，長度系數u 取1，驗算鋼管樁的失穩臨界力Fcr。

①計算λ：

式中，A 為單根鋼管橋墩橫截面面積，m2；i 為慣性半徑；λ為鋼管橋墩長細比。

②判斷壓桿類型：

由于λ＜λo，所以橋墩為小柔度桿。

③計算Fcr：

④計算安全系數n：

式中，nw為安全系數最小允許值。

因此可以得出，鋼管墩的穩定性滿足要求。

5.8 撓度驗算

運輸車荷載下橋梁的變形如圖16所示。

圖16 中間車道位置行駛時主梁撓度

經驗算分析，運輸車沿中間車道位置行駛時第2跨～第5 跨主梁撓度較大，其中第5 跨撓度最大，最大撓度值為18.9mm，依據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）第4.2.3 條[11]，豎向撓度限值為l/500，最大撓度值為18.9mm ＜10000/500=20mm，滿足剛度要求。

6 結語

通過大件運輸車輛的真實荷載，在有限元分析的基礎上，對過橋路線選擇和承載能力進行了檢算安全評估。檢算結果顯示，大件運輸車輛沿臨時鋼棧橋中心線行駛時主梁正應力最小，在主梁正應力最小情況下，橋面板計算強度、橋面橫向分配梁計算強度、主梁計算強度、墩頂橫向分配梁計算強度、橋墩計算強度與穩定性均滿足要求，主梁計算跨中撓度在容許范圍之內，發電機組大件運輸車能夠安全通過此臨時鋼棧橋。

臨時鋼棧橋是風力發電機組運輸項目“最后一公里”的重要解決方案，本文對大件運輸車輛通過臨時鋼棧橋的車道位置進行了比選，選出最優位置，結合橋梁材質和狀況檢查對各檢算項目進行容許應力修正，并進行了驗算分析，對同類項目具有一定的參考和借鑒意義。