大件運輸條件下橋梁安全性能快速評估技術研究

盧開艷，李金鹿，馬 忠，馬承禹

（1.北京路橋瑞通科技發展有限公司，北京 101300；2.北京市清河管理處，北京 100192）

0 引言

大件運輸是指載運不可解體的超長、超寬、超高、超重的貨物，在國家公路上運輸。為確保沿線道路、橋梁等結構設施不遭受損壞，需要對運輸車輛超重進行計算分析。在計算系統中只需要輸入車輛型號、軸重、軸距和總重，即可得出超重車輛是否能正常通行，為有效簽發通行許可證提供有力保障，確保國家公路高效正常運行。假如出現道路沿線橋梁無法通行的情況，需要及時通知申請客戶，并為其推薦其他路線，或者采取其他相應措施，才能正常安全通行。

1 工程概況

1.1 大件運輸概念

目前國內大件運輸大致分為四類，如表 1 所示。

參數類別 長度/m 寬度/m 高度/m 重量/t一類 14≤X＜20 3.5≤X＜4.5 3.5≤X＜3.8 20≤X＜100二類 20≤X＜30 4.5≤X＜5.5 3.8≤X＜4.4 100≤X＜200三類 30≤X＜40 5.5≤X＜6.0 4.4≤X＜5.0 200≤X＜300四類 X≥40 X≥6.0 X≥5.0 X≥300

1.2 運輸車類型

目前市面上常用兩種車型，分別為單排單軸掛車和雙排雙軸掛車，軸重典型分布圖如圖 1、圖 2 所示。通常計算后分布到單輪重量不應＞5 t，軸載≤10 t。

圖1 單排單軸掛車典型軸重分布

圖2 雙排雙軸掛車典型軸重分布

國內大件車輛最常用的為平板掛車，因其軸數較多，可以通過增加軸數來降低軸載，取滿足規范中的限制要求，具有較好的可通過性。平板掛車因產地不同而有所差異，國產武漢神駿液壓平板掛車軸距為 1.55 m。大件車輛軸距在 1.0～1.4 m（多用 1.2 m）。

1.3 公路橋梁設計荷載級技術狀況等級

公路沿線橋梁根據建設年代和設計交通量不同，設計荷載有所差異，目前仍然在服役的橋梁設計荷載等級分別為公路-I 級、公路-II 級、城-A 級、城-B 級、汽超-20 級、汽-20 級、汽-15 級等 7 種等級。

橋梁技術狀況等級分為 1 類、2 類、3 類、4 類、5 類共 5 個等級，前 3 類一般情況橋梁可正常行駛，后面 4 和 5 類橋在干線公路需要改造處理。

2 審批難點

2.1 審批問題

政府提倡的放管服下，并聯審批的權限下放到沿途（需過境）省的市縣一級公路管理部門后，存在的突出問題如下。

1）大件運輸車輛的審批缺乏重要的技術支撐，大件運輸橋梁承載能力快速驗算是一個亟待解決的難題。

2）橋梁技術資料尤其是關于承載能力評估的資料缺乏，在一定程度上增加了橋梁承載能力評估的難度。各級公路管理部門剛接觸大件運輸審批，對轄區橋梁技術狀況、基本資料不清、大件運輸車的參數（如車輛總重、軸重及車軸分布）不清楚，缺乏資料情況下進行大件運輸的審批，是行政主管面臨巨大的風險，也使橋梁安全運營存在安全隱患。

3）審批效率低問題，在審批辦理的過程中，為了確保通行的安全，一些特大的三類件許可證審批，要進行車輛所行路線特別是橋梁的勘驗，甚至還要對橋梁進行維修、加固和改造，這個時間不在辦事時限內。所以證件辦起來相對較慢。

計劃研究在全國大件運輸許可平臺嵌入橋梁承載能力快速評估模塊，對大件運輸線路進行優化，實現大件運輸線路重點橋梁的快速評估，從而實現審批過程的智能化，具有重要的經濟價值和社會價值。

2.2 審批未來展望

從產品形態上分析看，國外平臺全流程智能化比較成熟；而國內平臺尚屬于智能化初級階段，許多三類以上大件達不到智能化需要進行實地勘驗。

從定位上分析看，國外平臺是全境一體化處理，國內平臺是并聯分段審批。

從技術上分析看，均基于道路橋梁數據庫應用技術和路徑規劃技術。

發展趨勢是由人工審查向智能審查。

3 大件運輸沿線橋梁承載能力評估方法分析

總結國內常用大件運輸過橋安全性評估方法，結合算例對比不同方法評估效果以及優缺點，確定本項目大件運輸車輛過橋安全性評估方法。目前國內對于大件運輸橋梁承載能力評估常用的方法有：實際荷載對比法、活載效應比較法、等代荷載法以及基于車橋耦合振動效應結合實際監測過程中效應對比等方法。

實際荷載法：通過建立橋梁精細化有限元模型，考慮結構自重、鋼筋預應力等荷載效應，計算大件車輛過橋時，結構產生的荷載效應，以及橋梁在設計時的承載力，通過對比結果來判斷大件車輛通過橋梁的安全性。實際荷載對比法計算較為精確，結果可靠，但大件運輸任務往往線路沿線有較多橋梁，此種方法需要對各個橋梁精細建模，操作性不高，耗時高，任務量巨大，且不能考慮橋梁承載能力折減。

活載效應比較法：通過計算在大件運輸車輛荷載作用下，橋梁結構各截面的彎矩、剪力或應力結果等，同時計算橋梁結構在原設計汽車活載下，各截面產生的內力，將大件運輸車輛荷載作用下的結果與原設計汽車活載作用下的結果進行比較，若大件運輸產生的內力小于原設計汽車活載作用下的結果，則大件運輸車輛可安全通過橋梁。

等代荷載法：在同一跨徑橋梁條件下，采用同一種影響線，計算出大件車輛等代荷載、設計活載的等代荷載，將計算結果進行對比，來判別大件車輛過橋安全性能。

基于車橋耦合振動［1］以及實際效應相結合的方法：對于特載車輛通過橋梁需要過程中監測時對橋梁安全性能評估的方法。本項目結合車橋耦合振動的方法提取大件運輸車通過橋梁的動撓度理論曲線，同毫米波雷達監測的撓度時程曲線進行對比分析，來評估橋梁在大件運輸車通行時的安全性能。

4 橋梁承載能力快速評估方法

對于大件運輸車輛通行時橋梁承載能力評估方法，本項目采用多種方法相結合的綜合評估方法。

4.1 等代荷載法

對于橋梁設計荷載等級比較高、技術狀況較好的橋梁，采用等代荷載法進行快速評估，等代荷載法評估速度較快，便于行政主管部門快速審批。根據重點線路橋梁信息按結構類型進行分類，根據大件運輸車的荷載模型，提供能安全通過橋梁的荷載總重、軸重以及軸距的車輛類型，并及時將該類車型進入大件運輸車輛的模型庫［2］。

4.2 活載效應比較法

對于橋梁技術狀況等級較好，設計荷載等級較低的橋梁需要進行精確的承載能力評估，可以采用活載效應比較法進行評定。利用結構有限元軟件建立橋梁結構的有限元模型，計算大件運輸車輛荷載在橋梁通行時內力包絡線，將其內力包絡線同設計荷載作用下內力包絡線進行比較來評估橋梁傳承載能力［3］。

利用 MIDAS 建立橋梁有限元模型，只添加車輛荷載，模擬 3 軸車輛通過橋梁，分別計算橋梁在 3 軸車輛和設計車輛荷載下的荷載效應（彎矩包絡圖）如圖 3 和圖 4 所示，進行過橋安全性校核。大件車輛荷載作用下的橋梁荷載效應小于設計活載作用下的橋梁荷載效應是大件運輸車輛通過安全校核的條件。

圖3 大件運輸車輛作用下彎矩包絡圖

圖4 設計活荷載作用下彎矩包絡圖

4.3 實際荷載法

對于橋梁建設年代比較早、技術狀況等級和設計荷載等級比較低的少數橋梁，應采用實際荷載法進行評估。實際荷載對比法需要建立精細的有限元模型將大件運輸車進行加載模擬計算，該方法評估成本相對較高，適用于少量需要評估的橋梁［4］。

4.4 基于橋梁承載能力折減和荷載組合系數評估

由于橋梁施工技術水平、設計標準、受運營環境以及車輛荷載等因素影響，依據規范對橋梁進行承載能力折減更符合橋梁實際狀況。JTG/TJ 21－2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中給出了橋梁承載能力極限狀態計算公式，該計算公式引入承載能力檢算系數、承載能力惡化系數、配筋混凝土結構的截面折減系數和鋼筋的截面折減系數，通過這 4 個系數來對橋梁抗力進行折減。承載能力極限狀態計算公式按規范 JTG/TJ 21－2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中 7.3.1 計算。

JTG D60－2015《公路橋涵設計通用規范》規定，公路橋涵結構按承載能力極限狀態設計時，活載分項系數為 1.4，橋梁設計活載荷載組合公式見式（1）。

式中：S為作用組合的效應函數；SG為永久作用的標準值，kN；μ為沖擊系數；SQ為汽車荷載標準值。

大件運輸車輛荷載屬于偶然荷載，不是橋梁設計時的常規荷載，偶然作用的荷載組合分項系數為 1.0，當公路上的汽車超過 GB 1589－2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷即質量限值》的限制值時，此類車輛行駛在橋上，橋梁承載能力檢算時，荷載分項系數取 1.1，因此大件運輸車輛荷載組合分項系數取 1.1，當大件運輸車輛上橋時，為了能最大限度地發揮橋梁承載能力潛力，對其通行方式有著嚴格的要求，一般需遵循以下規定。

①多數情況下，大件運輸車輛應沿橋梁的中心線行駛；②車輛在橋上應在規定的速度下勻速行駛，通常要求速度為 5 km/h 以下；③在橋上行駛時，車輛不能改變車速和制動等；④可調整牽引車與平板掛車的行駛距離或讓其分別通過橋梁；⑤超重車輛過橋時，可按實際情況臨時實行橋梁禁行。

因此，大件運輸車輛進行荷載組合時不考慮沖擊系數，大件運輸車輛荷載組合公式見式（2）。

式中：S為作用組合的效應函數；SG為永久作用的標準值，kN；SQ為汽車荷載標準值。

4.5 基于正常運營狀態實測撓度效應與大件運輸車效應的對比法

等代荷載法、活載效應對比法和實際荷載對比法都是基于設計狀態橋梁進行評估，對于既有結構橋梁，受運營環境、荷載、材質退化等因素影響橋梁結構狀態有所不同，因此這幾種評估方法的結果會有一定的偏差。基于橋梁承載能力折減的評估方法需要對橋梁幾何線形、外觀缺損、材質狀況以及橋梁動力特性進行測試，測試成本也相對較高；此外該方法還需要對橋梁的荷載進行調查來計算荷載效應，而荷載的調查數據對于養護管理部門來說往往是缺失的，這也會導致評估結果存在一定的不確定性。

因此本項目研究的關鍵技術和創新點就是引入國內動撓度測試的最先進方法的毫米波雷達測試技術對橋梁動撓度進行動態準確的測試。

1）正常運營狀態下對橋梁動撓度進行測試。超載一直是國內橋梁運營不可回避的話題，多數橋梁在正常運營狀態都存在一定程度的超載現象。國內橋梁時有發生因超載導致的橋梁損壞及垮塌事件，但多數橋梁仍能安全運營是由于橋梁結構在設計時有較大的安全系數。運營狀態橋梁動撓度是評價橋梁承載能力的關鍵指標，在運營狀態下對橋梁動撓度監測尤為重要。本項目研究采用國內最先進的橋梁動撓度的測試方法——毫米波雷達，對橋梁正常運營狀態的典型車輛尤其是重載交通時段對橋梁動撓度進行一段時間的監測，從而獲得在典型重載交通時段橋梁結構關鍵控制截面的撓度響應的最大值，作為評估橋梁結構安全運營狀態的重要依據。在運營過程中對撓度監測時，配合人工對車流量的情況進行觀測記錄（通過車型、車道等信息），結合橋梁結構動撓度響應實測值估計橋梁在運營狀態橋梁車輛荷載大小。

2）基于橋梁結構影響線評估大件運輸車輛的撓度響應值。本項目研究的思路是基于實測動撓度對橋梁結構的影響線進行測試，實測結構影響線含有豐富的結構信息（原材料、結構幾何尺寸、材質退化、結構缺損及損傷等），通過大件運輸車的荷載在影響線上進行加載擬合得出大件運輸車的撓度響應值。具體步驟包括：收集大件運輸車通過橋梁的綜合結構數據，如待測試橋梁對應的主梁結構數據和行駛車道數據；根據所述主梁結構數據選取主梁測試截面，主梁測試截面上設置多個撓度測試位置；通過測試各個所述撓度測試位置對應的撓度，得到各個所述撓度測試位置對應的動撓度時程曲線，并根據所述動撓度時程曲線計算出所述待測試橋梁的撓度影響線；根據擬合的撓度影響線，將大件運輸車在橋梁對應的行駛車道上進行車輛布載，并計算出在大件運輸車作用下各個所述撓度測試位置對應的擬合靜載撓度值；得到的擬合靜載撓度值大件運輸車通過時產生撓度的實測值。

3）橋梁承載能力的快速評估方法?；谡＿\營狀態實測撓度效應與大件運輸車效應的對比法，在本項目研究中采用兩項指標對橋梁承載能力進行評估。基于正常運營狀態實測撓度效應的最大值作為橋梁正常運營狀態下橋梁結構撓度的控制指標，大件運輸車輛在實測結構撓度影響線上加載的撓度值不得超過控制指標。橋梁結構承載能力評定另一個指標是大件運輸車在實測結構撓度影響線上加載的撓度值同理論計算值之比，即大件運輸車通過時的校驗系數。大件運輸車通過時的理論計算值是將大件運輸車的荷載在橋梁結構的有限元模型上的計算值。

通過以上兩個指標的對比分析，可以實現快速對橋梁結構承載能力的快速評價。

4）大件運輸特殊荷載的實時監測評估方法。當特殊大件運輸車輛通過橋梁時，由于大件運輸的橋梁快速評估系統沒有大件運輸的車輛荷載模型，或經系統評估橋梁結構承載能力安全儲備較低時，則需要在特殊大件運輸車輛通過橋梁全過程進行實時監測［5］。具體實施的方案是建立橋梁結構的有限元模型，計算大件運輸車輛通過橋梁時的靜態撓度值，必要時可以建立車橋耦合振動的模型計算車輛通過時撓度的時程曲線。在大件運輸車通行時采用毫米波雷達對橋梁撓度值進行實時監測，提取靜態撓度的最大值或實時動態撓度曲線，并同理論計算值進行比較，確保橋梁結構在大件運輸車能安全通過。

5 結論

為方便大件運輸企業，國家建立了“跨省大件運輸并聯許可平臺”受理道路大件運輸申請并進行審批，由起運地省級公路管理機構組織協調沿線各省級公路管理機構并聯審批，現在審批權下放到市縣級公路管理機構。

由于市縣級公路管理機構在一線辦理的過程中，為了確保通行的安全，一些特大的三類件許可證審批，要進行車輛所行路線特別是橋梁的勘驗，甚至還要對橋梁進行維修、加固和改造，這個時間不在辦事時限內，解決證件辦起來相對較慢的難題。

研究運輸線路上橋梁檢測通行承載能力快速評估模塊，通過建立區域控制橋梁的承載能力和運輸車的荷載效應對比來評估大件運輸路線上的橋梁通過能力，從而實現審批過程的智能化，提高審批效率，同時確保大件運輸線路上橋梁結構的安全運營，具有重要的社會和經濟效益。Q