混凝土連續梁橋大件運輸通行能力評估分析

■謝 潤

（福州市公路事業發展橋隧中心，福州 350001）

近年來，隨著我國電力、能源、交通、冶金等行業的基礎設施建設的不斷加快，對大件運輸的需求越來越大。 大件運輸中的“大件”是指長、寬、高超過車輛限界標準，價值大、形狀復雜、重量大且不可解體拆分的運輸貨物。 影響大件貨物能否順利地運往目的地的因素很多，如運輸路線的選擇、運輸車輛的選擇、過橋安全性等，其中過橋安全性是最關鍵的因素。 大件運輸車輛的荷載效應一旦超過橋梁的設計荷載效應時，會對途經橋梁造成較大的影響和損傷，使原有病害進一步惡化，大大縮短橋梁的使用壽命。 為了保證大件運輸車輛安全通過橋梁，本文在相關文獻研究的基礎上[1-4]，提出大件運輸條件下橋梁承載能力驗算方法， 并以福州市浦東大橋為工程背景， 研究混凝土連續梁橋的大件運輸通行能力。

1 項目概況

浦東大橋位于連江江河口，距河口入海口處約2.5 km。大橋起點位于連江鰲江南岸岱江中學附近，終點位于鰲江北岸浦口鎮。 大橋上部結構型式為預應力混凝土連續T 梁，全橋共分兩聯，第一聯橋跨布置為5×35 m（第一跨～第五跨），第二聯為4×25 m（第六跨～第九跨），總長291.0 m，主梁采用雙導梁架設施工。 橋墩為雙柱式墩，橋墩基礎為鉆孔樁，東岱臺為U 型重力式橋臺及擴大基礎，浦口臺為肋式臺及鉆孔灌注樁基礎， 橋頭設置8.0 m 長搭板與路基過渡。 橋梁設計荷載為汽-20，全橋立面布置如圖1 所示。該橋位于國道228 線上，承擔著大量的大件運輸任務，因此其承載能力狀況是需要特別關注和重視的。

圖1 橋梁布置圖

2 既有橋梁承載能力的折減

大件運輸車輛經過時，如何對其承載能力及適應性能進行合理評估已成為橋梁工程界普遍關心的熱點問題之一。 《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）[5]根據橋梁的試驗檢測結果，對橋梁結構的抗力進行修正計算。 對于鋼筋混凝土橋梁，承載能力的評定公式如下：

式中：γ0為結構的重要性系數， 取值分別為1.1、1.0 和0.9，對應于設計安全等級一級、二級和三級；S 為荷載效應函數；R（·）為抗力效應函數；Z1為承載能力檢算系數； fd為材料強度設計值；ξc為結構的截面折減系數；adc為構件混凝土幾何參數值；ξs為鋼筋截面折減系數；ads為構件鋼筋幾何參數值；ξe為承載能力惡化系數。 對上述4 個折減系數可整合為一個承載能力綜合影響系數K，即:

因此，結合現行規程對各折減系數的取值，各種上部結構技術狀況等級的橋梁承載能力綜合影響系數K 取值分別為：1 類 （1.10～1.13）、2 類（0.98～1.01）、3 類（0.78～0.82）。 其上下限值可根據鋼筋性狀描述進行取值， 因此承載能力的評定公式修正為：

3 大件運輸作用下橋梁承載能力評估方法

綜合現有的橋梁承載能力評估方法，提出了適用于大件運輸過橋的承載能力快速驗算方法，如圖2 所示。

圖2 大件運輸車輛過橋的承載能力快速驗算方法

具體步驟如下：（1）確定橋梁技術狀況。 在進行橋梁承載許可驗算前， 根據收集到的橋梁技術資料，確定橋梁的技術狀況。 對于存在橋梁技術狀況為四類及以上的情況， 默認為橋梁技術狀況較差，不具備通行條件，否定本次運輸路線，建議承運方選擇其他路線。（2）結構承載力計算。建立橋梁的三維有限元計算模型，計算橋梁在原設計車輛荷載作用下主要控制截面產生的彎矩、剪力或軸力，并根據橋梁的技術狀況對結構的承載力進行折減或提高。（3）大件運輸下內力效應計算。計算橋梁在大件運輸作用下的內力效應，并與步驟(2)得到的結構承能力進行對比。（4）通行決策。若大件運輸作用下的內力效應小于結構的承載力，大件運輸車可通過橋梁；若大件運輸作用下的內力效應大于結構的承載力，需要進一步的判斷，即繞行或加固。

4 大件運輸通行能力評估

4.1 大件運輸車的技術參數

以近一年福州市公路事業發展中心的大件運輸車審批表數據為基礎，對大件運輸車的關鍵技術參數進行統計分析，選擇一種最典型的大件運輸車型進行后續橋梁承載能力的驗算， 如圖3 所示：牽引車引車前后軸距離l1=3.0 m、牽引車后軸軸距l2=1.4 m、牽引車和掛車距離D=8.0 m。 鑒于掛車軸距l3對大件運輸下橋梁的內力效應有較大的影響，本文將驗算兩種不同掛車軸距的車型，即大件運輸車A（l3=1.0 m）和大件運輸車B（l3=1.3 m）。

圖3 大件運輸車縱向軸重排列示意圖

4.2 空間有限元模型

因浦東大橋第一聯和第二聯的結構形式相同，均為連續T 梁橋，本文以第二聯為例進行大件運輸通行能力評估計算。 根據設計圖紙， 基于MIDAS Civil 建立的三維空間有限元模型如圖4 所示，采用梁格法方式建模如下所示：（1）縱梁與T 梁中心線重合，設5 根縱梁，縱梁單元截面與T 梁截面一致；虛擬橫梁單元的間隔設置與縱梁單元劃分一致，截面形式采用剛度等效的原則以一工字型截面替代。橫隔板根據實際位置和截面建立。 （2）邊界條件為簡支，即每根縱梁左端限制豎向、橋縱向和橋橫向位移，其余支座位置只限制豎向和橋橫向位移。

圖4 浦東大橋有限元計算模型（第二聯）

4.3 計算結果分析

橋梁上部結構技術狀況等級為三類，全橋鋼筋性狀良好， 因此承載能力綜合折減系數可取K=0.82。 在浦東大橋有限元模型上施加標準車輛荷載和大件運輸車荷載，通過影響線加載計算得到的內力效應。 以84 t 大件運輸車A 為例，浦東大橋在其作用下的內力包絡圖如圖5 所示，可見在最大正彎矩在梁跨中位置，最大負彎矩在支點位置；中梁的跨中最大彎矩要比邊梁大，所以此時控制結構安全最關鍵指標是大件運輸車作用下中梁的彎矩要小于標準車輛荷載作用下中梁的彎矩。 此外，在車輛荷載作用下，支點處會產生較大的剪力，因此大件運輸條件下的支點剪力效應還需小于原設計的支點剪力效應。

圖5 84 t 大件運輸車A 作用下浦東大橋的內力包絡圖

荷載效應比較如表2、3 所示。 沖擊系數按《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021-89）取值，第一聯的跨度為35 m，經計算沖擊系數取0.075；第二聯的跨度為25 m，經計算沖擊系數取0.15。 掛車與超限車輛因行駛速度較慢，不計沖擊效應。 可見，對于大件運輸車A 和大件運輸車B，額定車貨總重均為84 t，額定掛車軸數為n=3。

表2 大件運輸車作用下剪力效應統計（單位：kN）

表3 大件運輸車作用下彎矩效應統計（單位：kN·m）

5 結論和展望

本文結合大件運輸的特點，針對大件運輸中橋梁承載能力評定問題進行研究，并提出相應的解決方法。 本文根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》采用的評分系數法對既有橋梁承載能力折減方法進行了歸納，進而提出了大件運輸條件下橋梁承載能力驗算方法， 并以福州浦東大橋為工程背景，建立了其空間有限元模型，提出橋梁承載能力驗算方法，計算了大件運輸車額定車貨總重和掛車額定軸數。 本研究為公路橋梁的大件運輸通行能力評估提供一定的參考。

但本文僅對大件運輸車輛過橋時的承載能力極限狀態進行了評估， 未對其正常使用下的裂縫、應力、變形進行評估，大件車輛過橋時對既有橋梁的損傷程度判別和荷載控制標準是今后需要加強研究的一個方向。