拼接加寬梁橋大件車輛通行安全評估及監測研究

任曉輝 趙艷艷 杜 勇

(陜西高速公路工程試驗檢測有限公司，陜西 西安 710086)

近年來，隨著工業建設進程的加快及裝備制造業的迅猛發展，眾多特大、特重型的不可拆解設備需要通過公路運輸至各地，這為交通運輸業出了道難題，同時也帶來了廣大機遇。公路大件運輸難以避免，只有選擇合理的裝載方式、合理的通行線路，依據橋梁承載能力安全評估結果確定合理的過橋方案后，方能按照通行方案組織通行，同時還需做好通行過程中的各項安全措施，確保大件運輸及公路橋梁的安全［1］。

1 車輛及橋梁概況

本文以大件車輛通行某高速公路改擴建拼接裝配式梁橋為例進行研究。該大件車輛裝載貨物為大型變壓器，總重460 t，車輛幾何尺寸為98.0 m×6.8 m×4.8 m(長×寬×高)，裝載方式采用12 +13 軸線液壓板車通過橋式框架連接，前后液壓板車的凈距為35 m，板車軸載15.8 t，由于設備較重，在車頭處設置牽引車，車尾設置頂推車，確保車輛平穩運行。

該大件車輛通行線路包含一段高速公路四車道改八車道擴建路段，此路段橋梁加寬方案為舊橋全部利用，在原有4 片小箱梁的基礎上在外側增加3 片小箱梁，擴建至7 片，以適應日益增長的交通量需求。由于設計荷載不同，新建小箱梁與原有箱梁截面尺寸略有不同。以20 m 裝配式梁橋為例，原有舊橋上部結構為橫向4 片梁高1.0 m 小箱梁，拼接3 片梁高1.2 m 小箱梁，新舊箱梁通過翼板處植筋剛性連接，新舊小箱梁橫截面尺寸見圖1。

圖1 改擴建拼接裝配式梁橋新舊小箱梁橫截面主要尺寸示意圖（單位：m）

對于此類采用新舊主梁拼接的裝配式梁橋，大件車輛通行橋梁安全評估需要關注的主要問題有:1)主梁的承載力是否滿足大件車輛通行要求;2)橋面板局部受力是否滿足大件車輛通行要求;3)以何種方案(全橋居中通行、沿3 片新梁居中通行、沿新舊箱梁拼接處通行)通行橋梁更優［2］。

2 大件車輛通行橋梁安全評估

2.1 橋梁承載能力評估

1)橋梁承載能力評估方法。橋梁承載能力評估方法較多，國內外學者也對此做過很多研究［1］，主要包括基于實橋調查的經驗方法、荷載試驗方法、設計理論法、實際荷載檢算法和等代荷載判別法、非線性理論法等，其中實際荷載檢算法和等代荷載判別法由于其快速、簡便的特性，在大件運輸中應用最為廣泛［3］。a.等代荷載判別法。等代荷載判別法就是在同一跨徑(或荷載長度)用同一種影響線分別計算出大件車輛和標準車輛荷載的等代荷載，將兩者進行比較，以判別大件車輛能否安全通過橋梁或橋梁是否需進行加固。在大件運輸要求時間緊、計算量大的情況下，可采用此法進行粗略判斷［3］。b.實際荷載檢算法。實際荷載檢算法又稱內力效應比較分析法，即分別計算出大件運輸車輛過橋時橋梁結構中的內力效應和原設計標準下結構的設計承載力，通過比較兩者的大小來判斷能否通過。根據超限運輸車輛行駛公路管理規定，大件車輛在橋上不得制動、停留或啟動，應以不超過5 km 的速度勻速居中緩慢通過橋梁，因此計算大件車輛荷載效應時可不計沖擊系數［3］。由于大件車輛與設計荷載出現的概率不同，應采用不同的荷載效應系數，并且在考慮了各自荷載效應系數后再進行荷載效應的比較［4］。

2)主梁承載能力評估結果。以改擴建拼接加寬20 m 裝配式梁橋為例，橋梁總寬21.0 m，設計荷載等級公路—Ⅰ級，主梁采用C50 混凝土，經現場檢查及技術狀況評定，該橋未發現影響結構安全的病害，橋梁技術狀況等級評定為1 類［5］。考慮橫向分布，按照荷載效應比較法對設計荷載及大件車輛分別作用下小箱梁的跨中彎矩、墩頂負彎矩及支點剪力效應進行對比分析，結果見表1。

表1 20 m 小箱梁荷載效應對比表

由表1 可知大件車輛對20 m 小箱梁所產生的最不利荷載效應均小于設計荷載所產生的荷載效應，表明小箱梁的承載能力可以滿足大件車輛的通行要求。

2.2 橋面板局部驗算

為了防止大件車輛軸載過大而造成橋面板局部損傷，應對橋面板進行局部承載力驗算。驗算依據JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范和JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范相關規定進行。橋面板局部驗算設計荷載采用55 t 車輛荷載，標準車輛參數見圖2。標準車輛前輪著地寬度及長度為0.3 m×0.2 m，中、后輪著地寬度及長度為0.6 m×0.2 m。

大件車輛液壓板車采用一線雙軸八輪組，橫向軸距軸載布置圖見圖3，根據該車軸載分布情況，其中平板車每軸總軸載為158 kN，每輪組荷載P=39.5 kN。板車每輪組著地寬度及長度為0.456 m×0.2 m。計算得到各參數見表2。按照荷載效應比較法對設計荷載標準車輛及大件車輛分別作用下橋面板各控制截面荷載效應進行對比分析，結果見表3。

圖2 車輛荷載的立面、平面參數

圖3 大件車輛液壓板車橫向軸距、軸載參數（單位：mm）

表2 橋面板局部驗算參數表

表3 橋面板局部驗算結果及結論

從表3 可以看出，大件車輛通行橋梁橋面板各控制截面內力效應均小于設計標準車輛產生的荷載效應，可以安全通行。

2.3 新舊拼接橋梁通行方案

對于改擴建拼接裝配式梁橋大件車輛通行方案問題，有三種可供選擇的方案，各有利弊，見圖4。方案一沿全橋中心線行駛，荷載分布較為均勻，但對于新舊梁拼接部位剪力效應較大;方案二沿拼接后3 片新梁中心線行駛，考慮到新梁較舊梁承載力有所提升，單片箱梁受力更為有利，但橫向分布較為不利;方案三沿新舊箱梁拼接處中心線行駛，橫向分布介于方案一、二之間，拼接部位剪力效應相對較小。通過對三種方案下橫向分布系數分別進行計算，方案二較方案一最不利主梁橫向分布系數大5%左右，方案三較方案一最不利主梁橫向分布系數大0.5%左右，拼接部位剪力效應顯著降低。考慮到改擴建施工中箱梁翼板植筋拼接及新舊梁體混凝土粘結效果存在不確定風險的因素，在保證每片箱梁均不超過設計荷載效應的前提下，綜合考慮，選擇拼接部位剪力效應較小的方案三通行方式更為合理。

圖4 改擴建拼接裝配式梁橋大件車輛通行方案示意圖

3 大件車輛通行橋梁實時監測

1)監測方案及實施。為了了解大件車輛通行時橋梁的實際響應狀況，評價評估結果及通行方案是否合理，選擇四改八改擴建路段拼接裝配式梁橋進行實施監測，監測位置為邊孔跨中截面，撓度、應變測點布設方案見圖5，共設置5 個動撓度測點、3 個動應變測點，采用DH-5922 動態信號測試分析系統進行數據采集。

圖5 大件車輛通行橋梁監測應變、撓度測點布設圖

2)理論計算結果。采用通用有限元軟件ANSYS 對該橋建立實體模型，通過加載運算，得到大件車輛第二列板車滿布于測試橋跨時(見圖6)，測試孔跨中撓度達到最大值，位移云圖見圖7。

圖6 大件車輛最不利加載位置

圖7 大件車輛在最不利位置加載時的位移云圖

3)監測結果及分析。監測得到各測點在大件車輛通過時的撓度和應變變化曲線，圖8，圖9 分別為應變測點1，2 的應變時程曲線和撓度測點13，14 的撓度時程曲線。

圖8 撓度監測曲線

圖9 應變監測曲線

各撓度、應變測點理論計算與監測結果對比見表4。

經過對監測結果對比分析，撓度、應變實測值均小于理論計算值，校驗系數介于0.83～0.94，未見明顯殘余變形，通行完畢后通過對橋梁進行外觀檢查，未發現缺損病害。監測結果表明結構處于彈性工作狀態，新舊箱梁拼接協同受力良好，通行評估結論準確，方案可行。

表4 撓度、應變監測結果與理論計算結果對比表

4 結語

本文針對對改擴建拼接加寬裝配式梁橋大件車輛通行安全評估問題，從主梁承載力評估、橋面板局部驗算及大件車輛通行方案等方面對大件車輛能否安全通行橋梁進行了評估，并給出了較為合理的通行方案，大件車輛通行時對橋梁實施了實時監測，監測結果表明橋梁結構處于彈性工作狀態，新舊箱梁拼接協同受力良好，通行評估結論準確，方案可行，為后續大件車輛通行橋梁安全評估提供有效參考。

［1］楊 濤.公路大件運輸安全技術評價制度研究［D］.西安:長安大學，2010.

［2］張輝輝.公路橋梁大件運輸關鍵問題研究［D］.武漢:武漢理工大學，2011.

［3］任曉輝，張 宏.公路大件運輸中橋梁通行安全性評估及臨時加固［A］.全國既有橋梁加固、改造與評價學術會議［C］.2008.

［4］于傳君.公路大件運輸橋梁安全評估及臨時加固設計［J］.北方交通，2009(9):54-56.

［5］喬仲發.大件運輸全周期橋梁檢測評估研究［D］.杭州:浙江大學，2010.