大件運輸車組通過混凝土簡支空心板梁橋檢測方法

郭斌

摘要 文章采用常見的小載荷車組，在預應力混凝土簡支空心板梁橋面上進行布載，對橋梁上部結構變形進行實時監測，采用理論分析方法對橫向分布系數進行驗證。建立MIDAS/Civil有限元仿真模型，對大件運輸車組通過橋梁時的荷載狀態進行模擬加載，分別對橋梁上部結構和下部結構抗彎承載力和抗剪承載力進行驗算。結果表明，實測橫向分布系數與理論計算結果變化趨勢一致，實橋有限元模型能對橋梁承載力進行可靠度評估，明確大件運輸車組是否能夠安全通行。

關鍵詞 大件運輸車組；混凝土；空心板梁橋；檢測方法

中圖分類號 U223文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0055-04

0 引言

根據交通運輸部在2020年年底統計的數據，我國公路總里程已達到5 200 000 km，形成以高速公路為骨架，普通干線為脈絡，農村公路為基礎的全國公路網，橋梁總數達到91.28萬座，中小跨徑的橋梁占橋梁總數86%以上[1]。由于混凝土材料具有抗壓力不承抗拉的特點，鋼筋混凝土橋梁在外部荷載、腐蝕環境、材料老化等條件下，存在結構強度下降、表面出現裂縫、動力力學特性降低等安全隱患，中小跨徑預應力混凝土橋梁的安全威脅更加顯著[2-3]。Maas等[4-5]利用研發的一種沖擊裝置對大跨徑橋梁進行了靜載試驗和沖擊試驗，發現橋梁結構的預測撓度與計算撓度基本吻合；亓興軍等[6]利用模態撓度代替靜載撓度，用來評估簡支空心板橋的實際承載力，得到了廣泛的應用。

近年來，隨著我國基建事業的快速發展，利用公路橋梁運輸特大、特重型的工業設備日趨頻繁，公路橋梁受到的荷載顯著增加。由于原有公路橋梁承載能力下降，以及設計荷載等級的限制，無法滿足大件運輸車輛的安全通行[7]。為了確保公路橋梁承載力能夠滿足要求，在大件運輸車組通行過程中需要對橋梁上部結構進行監測，并采用MIDAS/Civil有限元軟件對其承載力進行數值模擬，研究大件運輸車組通行中橋梁性能的變化。

1 工程背景與橋梁靜載試驗

1.1 工程背景

公司某橋式運輸項目車組需要通過橋結構形式為預應力混凝土的簡支梁橋，跨徑組合為17.8 m×4+18.6 m+

17.8 m，主墩采用空心混凝土墩內填毛石及砂礫石，邊跨采用重力式橋臺和樁柱式橋墩，空心板梁梁高均為0.85 m，梁底寬均為1 m，邊梁翼緣寬度為0.25 m。主要技術標準：橋梁全長112.45 m，橋面鋪裝為8 cm瀝青混凝土面層，13 cm厚鋼筋混凝土墊層。設計荷載：汽車-超20 t、掛車-120 t。橋面寬度：28 m=0.5 m（防撞護欄）+12.5 m（車行道）+2 m（中央分隔帶）+12.5 m（車行道）+0.5 m（防撞護欄）。如圖1所示，為預應力混凝土簡支梁橋橫斷面形式布置圖，梁號從左到右依次為1#、2#、3#……13#。為確保大件運輸車組能夠在橋梁上正常通行，分別對其進行上部結構變形監測、橋梁靜荷載試驗、有限元數值模擬，以此判斷該橋梁是否處于安全狀態，為橋梁安全正常運營提供技術保障。

1.2 橋梁狀態監測

1.2.1 試驗荷載

根據《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01—2015）[8]為依據，橋梁的靜力試驗按荷載效率ηb來確定試驗的最大荷載，則靜載效率ηb的計算公式如式（1）所示：

式中，Ss——靜載試驗下，某一加載試驗項目對應的加載控制截面內力或位移的最大計算效應值；S——控制荷載產生的同一加載控制截面內力或位移的最不利效應計算值；μ——按規范取用的沖擊數值。

1.2.2 運輸車荷載橫向分布系數測試

在大件運輸車組通過橋梁前，需要對其進行檢測，檢測后整個橋梁在設計荷載下技術狀態評定等級為2類。該文大件運輸車組選用的主車自重15 t，掛車自重175 t，貨物總重375 t，平均荷載16.9 t，大型設備在整個運行過程中不可拆卸。大件運輸車組總體布置如圖2所示。

如表1所示，為大件車運輸車組撓度實測值及橫向分布系數。如圖3所示，為橋梁橫向分布系數對比。從表1和圖3可以看出，大件運輸車組測試的橋梁上部結構橫向分布系數與理論橫向分布系數基本相吻合，其中實測橫向分布值7#梁最大，最大值為0.103，理論橫向分布值7#梁最大，最大值為0.105，實測值較理論值略小。實測橫向分布系數曲線與理論值變化趨勢一致，且實測橫向分布曲線較為平滑，無明顯突變，表明空心板梁間橫向連接良好。

1.2.3 靜載試驗

該試驗加載方式采用5輛42 t載重車進行加載，加載分2級進行（1級加載1～3號車，2級加載4～5號車），車輛布置方式如圖4所示。單梁試驗荷載為494.54 kN，由式（1）計算得到荷載效率為1.00。應變實測值與校驗系數如表2所示。從表2可知，5#梁校驗系數的主要測點中最大的，實測應變值/理論應變值為0.50，小于規范限制值0.70。因此，在工況滿載作用下，橋梁的校驗系數滿足規范要求，具有一定的安全儲備。其中，8#梁二級加載撓度值最大，實測撓度值為?5.29 mm，實測撓度值與理論撓度值之比為0.49，遠小于規范值0.7，故在工況滿載作用下，橋梁的校驗系數滿足規范要求，也具有一定安全儲備。

2 大件運輸車組荷載驗算

該文驗算采用荷載效應對比法對該次大件運輸車組過橋荷載進行驗算，計算橋梁取汽車-超20級（計算荷載）及掛車-120（驗算荷載），公式為：

S=1.2SG+1.4SQ1 （2）

S=1.2SG+1.1SQ2 （3）

式中，SG——永久荷載中結構重力產生的效應；SQ1——基本可變荷載中汽車荷載產生的效應；SQ2——基本可變荷載中平板掛車或履帶車產生的效應。其余橋梁參照《城市橋梁設計荷載標準》（CJJ 77—98）中規定[9]，使用城-A級汽車荷載進行驗算。

2.1 橋梁上部結構承載能力極限狀態

對于空心板梁，跨中截面采用鉸接梁法來計算其荷載橫向分布系數，支點處采用杠桿原理計算在大件運輸車組荷載作用下的橫向分布系數。由于大件運輸車組應行駛在橋梁的中間車道上，避免走兩側的車道而造成沒有必要的結構受力增大，故采用MIDAS/Civil 2021建立橋梁上部結構的單梁模型，如圖5所示，由該軟件計算得出7#梁橫向分布系數最大。該程序計算得到空心板梁在恒載及大件運輸車組荷載作用下的跨中最大正彎矩為625.55 kN·m，支點最大剪力為142.98 kN。

2.1.1 抗彎承載力

采用單梁法將計算荷載與驗算荷載加載至單梁結構上，通過橫向分布系數計算最不利荷載分布在主梁上進行荷載效應對比驗算。在特殊車輛荷載作用下產生的內力乘以橫向分布系數，再加上恒載內力（自重及二期恒載），計算得到7#梁的組合內力值，7#梁抗彎驗算結果如表3所示。從表3可知，汽車-超20級計算荷載為1 289.68 kN，掛車-120計算荷載為1 398.20 kN，正截面抗彎承載力為1 479.59 kN，三者均滿足規范[8]要求。

2.1.2 抗剪承載力

根據該橋現狀，利用MIDAS/Civil大型有限元結構分析軟件，結合單梁法對主梁最不利布載下進行荷載效應對比驗算，計算支點截面最大組合剪力為293.84 kN，其汽車-超20級支座處最大剪力為319.73 kN，掛車-120支座處最大剪力為340.71 kN，斜截面抗剪承載力支座處最大剪力為808.16 kN。其計算荷載和驗算荷載均能滿足規范[8]要求，結構安全。

2.2 橋梁下部結構承載能力極限狀態

對橋梁進行有限元建模，將最不例外荷載作為外力施加在蓋梁上，對其進行結構驗算，模型及蓋梁布置圖如圖6所示。當核算對象為蓋梁抗彎（正彎矩）時，大件運輸車組荷載為284.31 kN·m，正截面抗彎3 660.2 kN·m；當檢測對象為蓋梁抗剪時，大件運輸車組荷載為628.64 kN·m，斜截面抗剪承載力為3 660.20 kN·m；當檢測對象為墩柱抗壓時，大件運輸車組荷載為?1 859.04 kN·m，墩柱抗壓承載能力為?13 006.19 kN·m。因此，在給定的大件運輸車組荷載作用下，下部結構的承載力極限狀態驗算能滿足規范要求，結構安全。

3 結論

（1）在大件運輸車組通過簡支橋梁過程中，監測得出該橋上部結構的橫向分析系數與理論分析系數基本吻合，兩種方法結果一致，均得出7#梁橫向分布值最大，實測值略小于理論值。

（2）采用常見小噸位車輛在橋梁上布載，結合荷載效應對比法，對橋梁上部和下部結構的抗彎承載力、抗剪承載力進行了驗算。結果表明：橋梁結構承載力能夠滿足大件運輸車輛沿橋梁安全通行的需求。

（3）構建了MIDAS/Civil有限元仿真模型，對大件運輸車輛通過橋梁實際狀態進行了模擬加載，計算結果與實測數據相吻合，表明該模型能夠模擬橋梁的實際工作狀態，為大件運輸車組能否通過橋梁提供判斷依據。

參考文獻

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[6]亓興軍， 趙越， 趙奇. 基于模態撓度的斜交橋靜載試驗數值方法[J]. 建筑科學與工程學報， 2020（3）： 55-62.

[7]劉堯. 公路橋梁在大件運輸中的若干問題研究[D]. 杭州：浙江大學， 2006．

[8]公路橋梁荷載試驗規程： JTG/T J21-01—2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2016.

[9]城市橋梁設計荷載標準： CJJ 77—98[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 1998.