普通車(chē)輛混行下大件車(chē)通行中小跨徑橋梁評(píng)估

陳霞、溫俊峰

（1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330025；2.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025）

0 引言

當(dāng)前，各省市及交通運(yùn)輸部制訂的大件車(chē)通行評(píng)價(jià)原則表明，當(dāng)大件車(chē)通行公路橋梁時(shí)，可酌情禁止普通車(chē)輛及行人經(jīng)過(guò)，但在實(shí)際審批過(guò)程中為了確保通行安全，大多數(shù)設(shè)計(jì)和檢測(cè)單位采取或默認(rèn)了“大件車(chē)需單獨(dú)通行”這一行駛原則。

然而現(xiàn)實(shí)情況表明大件車(chē)輛行駛速度緩慢，通行時(shí)間較長(zhǎng)，一方面，對(duì)于交通繁忙的路段，長(zhǎng)時(shí)間的交通管制將耗費(fèi)大量的人力物力，且嚴(yán)重影響市民的正常出行及公路運(yùn)輸，造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，在實(shí)際通行中，相關(guān)部門(mén)對(duì)部分大件運(yùn)輸車(chē)輛往往不能實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)護(hù)，仍會(huì)出現(xiàn)大件車(chē)與普通車(chē)輛混合行駛的現(xiàn)象（見(jiàn)圖1）。

圖1 大件運(yùn)輸車(chē)輛與普通車(chē)輛混合通行

一些省市在相關(guān)案例中對(duì)大件車(chē)與普通車(chē)輛混合行駛這一現(xiàn)象進(jìn)行了考慮和評(píng)估，但采取的手段通常是直接疊加設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載，未考慮實(shí)際交通流荷載的組成形式。此方法可以解決單次通行方案的制訂，但對(duì)同類(lèi)案例的借鑒意義并不明顯。因此，考慮用隨機(jī)車(chē)流模擬普通車(chē)輛，計(jì)算大件車(chē)混行下的橋梁響應(yīng)，并以此進(jìn)行安全評(píng)估。

1 大件運(yùn)輸車(chē)輛安全評(píng)估現(xiàn)狀

Han[1]等人基于八萬(wàn)余組大件運(yùn)輸車(chē)輛數(shù)據(jù)分析，提取五種典型大件車(chē)類(lèi)型，計(jì)算大件車(chē)與不同設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載效應(yīng)比值；提出基于可靠度理論的荷載評(píng)級(jí)方法，對(duì)大件車(chē)荷載效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最后完成了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁在大件車(chē)荷載作用下的安全評(píng)估。

余海洋[2]以重慶市大件車(chē)主要路線中的橋梁為研究對(duì)象，分析既有橋梁承載力，提出大件車(chē)通行下，結(jié)構(gòu)的抗裂驗(yàn)算應(yīng)滿足裂縫寬度不超過(guò)0.1mm；根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用和承載能力極限狀態(tài)，提出了大件車(chē)通行橋梁時(shí)的三種荷載控制準(zhǔn)則：未出現(xiàn)拉應(yīng)力、名義拉應(yīng)力范圍內(nèi)、未超出極限承載力。

亓祥宇[3]以實(shí)際大件車(chē)運(yùn)輸工程為依托，考慮線路中既有橋梁技術(shù)狀況等級(jí)，通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)形式、軸重的大件運(yùn)輸車(chē)輛的荷載標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定路線中適宜通行的大件運(yùn)輸車(chē)型。

李智斌[4]基于可靠度理論，計(jì)算了橋梁承載能力極限狀態(tài)下的大件車(chē)荷載分項(xiàng)系數(shù)取值；提出了大件車(chē)荷載控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足裂縫寬度要求及橋梁實(shí)際承載能力要求。

李浩恒[5]以荷載效應(yīng)比較法為基礎(chǔ)，考慮橋梁結(jié)構(gòu)承載能力折減以及大件車(chē)實(shí)際通行中的沖擊效應(yīng)，通過(guò)逐級(jí)加載的方式確定了不同軸數(shù)大件車(chē)可安全過(guò)橋所對(duì)應(yīng)的控制軸載。

賈旭東[6]從大件車(chē)通行時(shí)橋梁的承載能力評(píng)定方面展開(kāi)了研究，分析了既有橋梁的安全儲(chǔ)備，將承載能力折減公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，確定了大件車(chē)通行快速評(píng)定的荷載組合公式，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了簡(jiǎn)化公式的適用性。

張輝輝[7]對(duì)大件車(chē)運(yùn)輸過(guò)程的安全性展開(kāi)研究，考慮大件車(chē)通行沿線橋梁承載力，運(yùn)用修正的等代荷載法來(lái)判定通行安全性，并通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證；針對(duì)橋梁承載力不足問(wèn)題，提出各種可采用的加固方法。

姚明強(qiáng)[8]從有限元模型修正的角度出發(fā)，提出了對(duì)大件車(chē)沿線橋梁承載能力的評(píng)定方法，該方法參數(shù)少，適用于大件車(chē)通過(guò)性快速檢測(cè)。

袁陽(yáng)光[9]建立了大件車(chē)兩階段評(píng)估方法。其一，考慮結(jié)構(gòu)安全性，基于可靠度理論構(gòu)建考慮構(gòu)件退化的評(píng)估方法；其二，基于正常使用性能要求，根據(jù)可靠度理論，對(duì)不同臨界荷載效應(yīng)水平進(jìn)行分析，以臨界荷載效應(yīng)比值構(gòu)建評(píng)估方法。

以上學(xué)者對(duì)大件車(chē)通行安全性評(píng)估的研究已比較詳盡，但大多將大件車(chē)作為單獨(dú)作用的特殊荷載考慮計(jì)算，并未考慮其與普通車(chē)輛混行的情況。劉航[10]對(duì)比了11 軸176t 重的大件車(chē)單獨(dú)行駛與加入設(shè)計(jì)汽車(chē)混合行駛兩種工況下16m 空心板橋的受力性能，對(duì)比發(fā)現(xiàn)混合行駛時(shí)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)較大，接近于設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載效應(yīng)。因此，考慮普通汽車(chē)與大件車(chē)混合通行進(jìn)行驗(yàn)算評(píng)估，得出的結(jié)論更接近現(xiàn)實(shí)情況，可為大件車(chē)的安全通行提供保障。

2 大件車(chē)混行與單獨(dú)作用下橋梁響應(yīng)對(duì)比分析

在無(wú)交通管制的情況下，大件車(chē)作為超限運(yùn)輸車(chē)輛，行駛在普通高速路上時(shí)，其行駛速度較慢且常沿路面最外側(cè)行車(chē)道行駛?？紤]大件車(chē)寬度，當(dāng)車(chē)貨總寬度不超過(guò)3.75m 時(shí)，在布置混合交通荷載時(shí)將大件車(chē)布置在最外側(cè)行車(chē)道中線上，在其余內(nèi)側(cè)車(chē)道中心線布置普通車(chē)輛，組成大件車(chē)混合交通荷載，緊急車(chē)道不布設(shè)車(chē)輛。若大件車(chē)總寬度超過(guò)3.75m，大件車(chē)貨物輪廓將超出單個(gè)行車(chē)道范圍，此時(shí)大件車(chē)在實(shí)際通行時(shí)將占用兩個(gè)車(chē)道，可與大件車(chē)混合通行的車(chē)道數(shù)減少，這對(duì)混合交通荷載下的結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算有利。按最不利情況考慮，在加載計(jì)算時(shí)大件車(chē)僅占用一個(gè)車(chē)道，則可以添加更多普通車(chē)道車(chē)輛荷載，可驗(yàn)算混合交通荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的最不利效應(yīng)。

以4m×30m 連續(xù)小箱梁橋?yàn)榉治鰧?duì)象，選擇192t的12 軸大件車(chē)與2 輛普通車(chē)輛組成的混合車(chē)流進(jìn)行加載。普通車(chē)輛選取一輛20t 重的兩軸車(chē)和一輛55t重的五軸車(chē)，兩輛普通車(chē)相距10m。將大件車(chē)輛布置在行車(chē)道，普通車(chē)輛布置在超車(chē)道，混合交通流橋面行駛信息如圖2 所示。

圖2 混合交通流橋面行駛信息

通過(guò)有限元計(jì)算軟件分析計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)任意位置的響應(yīng)特征。分別計(jì)算大件車(chē)單獨(dú)加載下與大件車(chē)混合普通車(chē)輛加載下橋梁中間梁的彎矩響應(yīng)時(shí)程，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 混合車(chē)流與大件車(chē)單獨(dú)過(guò)橋正彎矩響應(yīng)時(shí)程對(duì)比

可看出混合交通荷載作用下，橋梁正彎矩響應(yīng)在不同時(shí)段內(nèi)均大于大件車(chē)單獨(dú)作用下橋梁響應(yīng)，其中響應(yīng)極值增大比例為20.5%。這說(shuō)明在大件車(chē)通行安全評(píng)估中，考慮普通車(chē)輛混行，可計(jì)算得出橋梁更不利響應(yīng)，由此評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性更加真實(shí)、可靠，從而確保評(píng)估結(jié)論更加準(zhǔn)確。

3 考慮普通車(chē)輛混行下大件車(chē)過(guò)橋安全評(píng)估方法

大件車(chē)通行常用的評(píng)估方法主要包括以下幾種：

3.1 實(shí)際荷載對(duì)比法

實(shí)際荷載對(duì)比法是通過(guò)對(duì)比大件車(chē)過(guò)橋引起橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)與橋梁設(shè)計(jì)階段的承載力，來(lái)判斷車(chē)輛是否可以安全過(guò)橋[11]。該方法使用設(shè)計(jì)階段的橋梁承載力進(jìn)行判斷，然而橋梁在實(shí)際使用中往往會(huì)受到各種因素的影響，如施工、病害等，因此原設(shè)計(jì)階段的橋梁承載力不再適用，橋梁實(shí)際承載力能否滿足大件車(chē)通行要求，通過(guò)實(shí)際荷載對(duì)比法無(wú)法準(zhǔn)確判定。

另外，該方法需要建立精細(xì)化的有限元模型，對(duì)于大件車(chē)沿線橋梁數(shù)量、種類(lèi)較多的情況，建模工作量大。因此，該方法僅適用于大件車(chē)運(yùn)輸線路橋梁較少且橋梁狀態(tài)良好的情況。

3.2 修正等代荷載法

修正等代荷載法是指考慮荷載橫向分布、沖擊系數(shù)、橋梁承載能力檢算系數(shù)等因素下，使用同一荷載長(zhǎng)度的影響線分別計(jì)算出大件車(chē)和設(shè)計(jì)汽車(chē)的等代荷載，通過(guò)對(duì)比兩者等代荷載的大小來(lái)判別大件車(chē)是否可以安全通過(guò)橋梁[12]。修正等代荷載法本質(zhì)上是將大件車(chē)荷載與設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載進(jìn)行比較，因此該方法較為簡(jiǎn)單方便，可用于粗略判斷大件車(chē)過(guò)橋的安全性。

3.3 荷載效應(yīng)比較法

荷載效應(yīng)比較法[13]是分別計(jì)算大件運(yùn)輸車(chē)輛和設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的彎矩、剪力或撓度等，將兩種荷載效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，若小于設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載效應(yīng)，則認(rèn)為大件車(chē)可安全通過(guò)橋梁。

該方法僅需建立橋梁上部結(jié)構(gòu)模型，將不同荷載作用下的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比，因此可對(duì)大件車(chē)運(yùn)輸沿線通行橋梁進(jìn)行總結(jié)歸納，選取典型橋梁進(jìn)行荷載效應(yīng)比較，計(jì)算效率較高，可用于大件車(chē)過(guò)橋安全性的快速評(píng)定。

該方法適用于需要驗(yàn)算線路橋梁較多和橋梁結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的情況，通過(guò)該方法可初步判定大部分橋梁是否可以安全通行，對(duì)于驗(yàn)算不合格的橋梁以及技術(shù)狀況等級(jí)較差的橋梁建議使用其他方法進(jìn)一步驗(yàn)算。

參考大件車(chē)通行常用的評(píng)估方法，建立混合交通荷載通行的兩階段評(píng)估方法。使用隨機(jī)車(chē)流模擬普通車(chē)輛，與大件車(chē)組合成為混合交通流。

首先基于荷載效應(yīng)比較法，將大件車(chē)混合普通車(chē)輛荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，若混合交通荷載效應(yīng)小于設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載效應(yīng)，則判定大件車(chē)可混合普通車(chē)輛安全通過(guò)橋梁，否則需進(jìn)行第二階段評(píng)估驗(yàn)算，基于橋梁抗彎承載能力極限狀態(tài)法進(jìn)行評(píng)估，若第二階段評(píng)估結(jié)果通過(guò)，則認(rèn)為大件車(chē)混合普通車(chē)輛可安全通過(guò)橋梁。評(píng)估流程如圖4 所示。

圖4 混合交通流通行橋梁安全評(píng)估流程

4 結(jié)語(yǔ)

文章針對(duì)大件車(chē)與普通車(chē)輛混合通行橋梁這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題展開(kāi)研究，闡述了大件車(chē)通行審批現(xiàn)狀，對(duì)大件車(chē)通行安全評(píng)估現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。提出大件車(chē)通行評(píng)估需考慮普通車(chē)輛混行這一問(wèn)題，模擬現(xiàn)實(shí)情況下大件車(chē)與普通車(chē)輛混合通行橋梁的現(xiàn)象，并基于有限元計(jì)算軟件計(jì)算對(duì)比了大件車(chē)混行作用下與大件車(chē)單獨(dú)作用下橋梁響應(yīng)大小，驗(yàn)證了大件車(chē)評(píng)估中考慮車(chē)輛混行的必要性。最終，基于大件運(yùn)輸車(chē)輛通行安全評(píng)估方法，建立了大件車(chē)混行下兩階段快速評(píng)估方法，可為大件運(yùn)輸車(chē)輛管理與審批工作提供技術(shù)參考。