大件運輸車輛通行高速公路裝配式連續梁橋影響參數分析

吳 焱

（山西省交通運輸安全應急保障技術中心（有限公司），山西太原 030006）

1 概述

大件運輸具有一定的強制性，而且隨著經濟發展的需要，運輸噸位有不斷增加的趨勢[1]。僅2020年全年，課題組共完成173 輛大于等于180 t 大件運輸車輛的高速公路通行計算。安全、快速、專業、規范地完成大件運輸車輛通行橋梁的安全評估工作，能夠顯著節約人力物力成本，增加社會效益。因此針對大件運輸車輛的可變參數研究能夠幫助驗算人員快速選擇大件運輸車輛形式，提升安全評估效率，而目前大件運輸的研究主要集中在快速評估方法及路線選擇上，其車輛的（圖1）可變參數對橋梁結構影響存在空白區。

圖1 大件運輸車輛圖

2 參數分析

2.1 研究參數選擇

大件車輛形式多樣，主要形式有平板掛車、長貨掛車、橋式掛車、凹式掛車、自行式掛車[2]。本文以常見的平板掛車為研究，分析大件車輛的參數對結構內力的影響，平板掛車模型圖見圖2。

圖2 平板掛車模型圖（單位：mm）

根據經驗，平板掛車能夠對橋梁產生不同效應的可變參數包括車貨總重、軸數、軸距、軸重等[3]。車貨總重主要由貨物重量及車型決定，并且通過軸數和軸重體現，而軸距、軸重和軸數能夠代表作用在橋梁上荷載的大小及位置分布，更能直觀和簡單地將大件運輸車輛簡化為荷載施加在橋梁上，因此，本文重點研究大件運輸車輛軸距、軸重和軸數對橋梁結構的影響。

2.2 研究橋型選擇

山西省已通車的高速路段以預應力混凝土預制裝配式連續箱梁橋（以下簡稱裝配式橋）最為普遍，且單孔跨徑以標準跨徑為主，即單孔20 m、25 m、30 m 和35 m。本文選擇標準跨徑的裝配式橋為研究對象，分析大件運輸車輛可變參數對不同跨徑裝配式橋的影響。所選4種橋型的典型橫斷面圖如圖3所示，截面信息如表1所示。

表1 截面信息表

圖3 裝配式橋典型橫斷面（單位：mm）

2.3 有限元模型建立

本文采用Midas Civil 作為分析軟件，采用梁格法建模，分別建立單跨20 m、25 m、30 m 和35 m 的三跨連續梁橋有限元模型，不同跨徑預制裝配式連續梁橋模型離散節點數和單元數如表2所示，結構有限元模型如圖4。

表2 有限元模型信息表

圖4 結構有限元模型圖

由于各高速路段建成時間不一，因此在設計時所依據的設計標準不同，根據設計規范，設計荷載等級包含汽車-超20 級、掛車-120 和公路-Ⅰ級[4]（04 規范），其中設計荷載等級為公路-Ⅰ級（04 規范）橋梁居多。大件運輸通行橋梁評估方法多樣，常用的方法有等代荷載判別法、荷載試驗判別法和實際荷載簡算法等。為快速評估大件運輸車輛的可通行性，采用等代荷載判別法，即直接將大件運輸車輛產生的效應與設計荷載效應作對比。因此本文主要分析大件運輸車輛對結構最大正彎矩、最小負彎矩、最大剪力（以下簡稱正彎、負彎、剪力）的影響。

2.4 參數變量值選擇

本文采用單一變量法分析不同大件運輸車輛可變參數對結構的影響，根據課題組已有的大件運輸驗算經驗，對各參數選擇通行頻率高的變量值進行研究，分析過程中，選定其中一項變量分別代入變量值①～⑦，其他兩項變量則選擇變量值④項作為定量進行加載分析，具體的參數值選擇如表3所示。

表3 參數變量值表

根據表4 中變量值①計算結果與公路-Ⅰ級（04 規范）設計計算值進行對比，可知變量①參數下的大件運輸車輛基本能夠滿足不同跨徑裝配式橋通行要求。

表4 變量值①計算結果/設計計算值比值表

對于同一荷載效應，不同跨徑橋梁的計算結果差異較大；對于同一跨徑，不同荷載效應的計算結果也存在較大差異，為有效對比大件運輸車輛參數對不同跨徑裝配式橋荷載效應及其對相同跨徑下不同荷載效應的影響，采用歸一法進行分析，即假定各參數變量值①計算結果為1，分別計算變量值②～⑦實際計算結果相對于變量值①實際計算結果的比值。

2.5 不同跨徑受影響分析

軸距的變化僅體現大件運輸車輛荷載布置形式的變化，大件車輛總重未發生變化；軸重的變化體現大件運輸車輛總重的變化，大件車輛荷載布置形式未發生變化；軸數的變化體現了大件車輛荷載布置形式及總重的變化。本文首先對各影響參數下，相同荷載效應在不同跨徑裝配式橋受參數影響進行研究，具體結果如下。

2.5.1 軸距影響分析

根據圖5—圖7 分析結果，在該文選定的軸數13、軸重10 t，軸距變化1.1～1.6 m 加載工況下，從整體趨勢分析，20～35 m 裝配式橋荷載效應隨軸距增大呈減小趨勢，且不同跨徑裝配式橋荷載效應變化幅度差異較明顯。對于最大正彎及最大剪力效應，20～35 m 裝配式橋減小幅度依次變小；對于最小負彎矩效應，則20 m裝配式橋減小幅度最大，其次為30 m 橋，然后是35 m橋，25 m 裝配式箱梁橋減小幅度最小。

圖5 正彎比值-軸距圖

圖6 負彎比值-軸距圖

圖7 剪力比值-軸距圖

2.5.2 軸重影響分析

對于軸重變化對結構荷載效應的影響，由于大件運輸車輛牽引車頭重量占大件車輛總重的比值較小，最大為18.8%，因此隨軸載的增大近似于有限元模型的線性加載，從荷載效應-軸重表（表5）也可得出，結構荷載效應基本隨軸重線性變化，且不同跨徑裝配式橋荷載效應隨軸重變化的幅度相近。

表5 不同跨徑荷載效應-軸重表

2.5.3 軸數影響分析

根據圖8—圖10 分析結果，可得出如下結論：

圖8 正彎比值-軸數圖

圖9 負彎比值-軸數圖

圖10 剪力比值-軸數圖

a）在本文選定的軸距1.4 m、軸重10 t，軸數變化7～13 軸加載工況下，結構荷載效應隨軸數增加而增大，且不同跨徑裝配式橋荷載效應變化幅度差異明顯，不同荷載效應隨軸數增大幅度均有逐漸減小趨勢。

b）對于正彎效應，軸數從7 軸增加到13 軸，不同跨度最大正彎矩效應變化幅度排序始終為：35 m＞30 m＞25 m＞20 m。

c）對于最小負彎效應，不同跨徑最小負彎效應隨軸數變化幅度排序在變化，具體為：8 軸時，20 m＞25 m＞30 m＞35 m；9 軸和10 軸時，25 m＞20 m＞35 m＞30 m；11 軸時，25 m＞35 m＞20 m＞30 m；12 軸和13 軸時，25 m＞35 m＞30 m＞20 m。

d）對于最大剪力效應，不同跨徑剪力效應隨軸數變化幅度排序在變化，具體為：8～12 軸時，30 m＞35 m＞25 m＞20 m；13軸時，35 m＞30 m＞25 m＞20 m。

2.6 不同荷載效應受影響分析

本文對不同荷載效應下，同一跨徑裝配式橋不同荷載效應受參數影響進行分析，具體分析結果如下所示。

2.6.1 軸距影響分析

根據圖11—圖14 顯示，大件運輸車輛軸距變化對不同跨徑裝配式橋的負彎影響最小，且負彎隨軸距變化幅度遠小于正彎和剪力變化幅度，表明隨軸距增大，實際負彎計算值相對處于高位。對于20 m、25 m 和30 m裝配式橋，正彎受軸距變化影響最大，剪力次之；對于35 m裝配式橋，剪力受軸距變化影響最大，正彎次之。

圖11 20 m內力比值-軸距圖

圖12 25 m內力比值-軸距圖

圖14 35 m內力比值-軸距圖

2.6.2 軸重影響分析

從表6 同一跨徑不同荷載效應-軸重分析結果能看出：不同跨徑的裝配式橋隨軸重增大基本保持線性增大，不同荷載效應隨軸重變化幅度相近，負彎受軸重變化影響略小于正彎和剪力。

表6 相同跨徑不同荷載效應-軸重表

2.6.3 軸數影響分析

根據圖15—圖18所示，大件運輸車輛軸數變化對同一跨徑裝配式橋的負彎影響最大，且負彎隨軸距變化幅度遠大于正彎和剪力變化幅度，同時相同跨徑的正彎和剪力變化幅度基本接近。大件運輸車輛軸數從7 軸增加到13 軸，20 m 和25 m 裝配式橋的荷載效應增大幅度逐漸變緩；30 m 和35 m 裝配式橋的正彎和剪力荷載效應增大幅度逐漸變緩，負彎效應基本呈線性變化。

圖15 20 m內力比值-軸數圖

圖16 25 m內力比值-軸數圖

圖17 30 m內力比值-軸數圖

3 結論

a）裝配式橋結構荷載效應隨軸重變化基本呈線性變化，隨軸距或軸數變化基本呈非線性變化；荷載效應隨軸距增大逐漸減小，隨軸重或軸數增加逐漸增大。

b）通過對不同跨徑下同一荷載效應分析，大件運輸參數變化對不同跨徑的裝配式橋影響未見明顯規律，但20 m 裝配式橋受影響程度相對最小。

c）通過對相同跨徑下不同荷載效應分析，隨大件運輸車輛軸距增大，負彎減小幅度最小，隨軸重增加，負彎增大幅度與正彎、剪力相近；而隨軸數增加，負彎增大幅度較正彎、剪力明顯。因此，負彎最可能是大件運輸車輛安全通行的控制參數。