大件運輸車輛通行橋梁安全評估與監測

郭東升

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

隨著經濟和生產力的不斷發展，大件運輸項目數量迅速增多，為了保證車輛的安全通行與橋梁的使用性能，對于大件運輸車輛通行橋梁的安全評估與實時監測需求也日益增長[1]。

目前常用的大件運輸車輛通行橋梁承載能力評估方法有等代荷載判別法和實際荷載檢算法，然而以上兩種方法均建立在“認為橋梁運營多年后的受力狀態與設計狀態完全一致，不存在結構損傷”的假設上，顯然這種假設是不成立的，于是提出一種承載能力修正后的實際荷載檢算方法[2-4]。采用上述三種方法對工程實例橋梁進行評估，并將評估結果與橋梁實時監測結果進行比較，分析三種方法的優缺點及適用性。

1 項目概況

某大件運輸車輛的車貨總重為356t(大件車-356)，其中牽引車輛重35t，大件車貨重321t。大件運輸公司提供大件車輛的軸距、輪距及軸載。該大件運輸車輛通行路線共涉及29座橋梁，該段路線橋梁設計荷載為汽車-超20級、掛車-120，選取某1×10m簡支空心板橋為例，進行安全評估及實時監測，橋梁橫斷面布置如圖1。橋梁荷載橫向分布系數計算結果見表1。

圖1 橋梁橫向布置示意圖(單位：mm)

表1 橋梁荷載橫向分布系數表

2 三種驗算方法的橋梁安全評估

2.1 等代荷載判別法

該方法在同一跨徑(或荷載長度)用同一種影響線分別計算出大件車輛和設計及驗算荷載效應，將兩者進行比較，以判別大件車輛能否安全通過橋梁，即將大件車輛對橋梁產生的荷載效應與通行橋梁原設計驗算荷載效應比較，以此確定大件運輸車輛車貨總重產生的橋梁荷載效應是否小于通行橋梁的設計荷載及驗算荷載，以判別大件車輛能否安全通過橋梁[5-6]。

10m跨徑簡支空心板橋跨中最大彎矩掛車-120及大件車-356加載圖如圖2、圖3。

圖2 跨中截面最大彎矩掛車-120加載圖

圖3 跨中截面最大彎矩大件車-356加載圖

10m跨徑簡支空心板橋支點最大剪力掛車-120及大件車-356加載圖如圖4、圖5。

圖4 支點截面最大剪力掛車-120加載圖

圖5 支點截面最大剪力大件車-356加載圖

由以上跨中截面最大彎矩、支點截面最大剪力加載圖可求得10m跨徑簡支空心板橋掛車-120及大件車-356內力計算結果如表2。

表2 等代荷載判別法計算結果表

由表2中計算對比可知，大件車-356對橋梁的荷載效應小于原橋掛車-120荷載效應，大件車可以通行。

2.2 實際荷載檢算法

該方法計算大件車輛對橋梁產生的荷載效應與橋梁結構的計算抗彎、抗剪承載能力進行對比，以此判別大件車輛能否安全通過所驗算橋梁，并能夠反映橋梁結構的剩余安全儲備。

本項目采用梁格法進行橋梁結構建模計算，為保證模型計算結果能夠較準確地反應結構的實際受力，模型尺寸、材料、施工過程等都嚴格按照設計圖紙進行模擬。計算大件車輛荷載效應以大件車實際軸載分布進行加載，不考慮沖擊系數，荷載組合系數結構恒載取1.2，大件車取1.0。計算結構承載能力不考慮橋面鋪裝參與受力。有限元模型的大件車實際荷載檢算結果見表3，橋梁有限元模型見圖6。

表3 實際荷載檢算法計算結果表

圖6 簡支空心板橋有限元模型圖

由表3計算對比可知，大件車-356對橋梁的荷載效應小于橋梁結構計算承載能力，大件車可以通行。

2.3 修正承載能力檢算法

該方法根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》，基于橋梁結構的檢測結果，依據橋梁缺損狀況、材質強度、橋位環境、裂縫情況等，引入橋梁檢算系數、承載能力惡化系數、截面折減系數對橋梁結構的承載能力進行修正，并通過大件車荷載效應與修正后橋梁承載能力比較，判定大件運輸車輛能否通過橋梁[1]。

根據現場檢測橋梁的病害情況，按《公路橋梁技術狀況評定標準》進行橋梁總體技術狀況評分為78.60分，總體技術狀況等級為3類。

綜合考慮橋梁構件表觀缺損狀況、材質強度和橋梁結構自振頻率確定構件承載能力檢算系數評定標度D，然后根據承載能力檢算系數評定標度得出檢算系數Z1，具體計算見表4。

表4 承載能力檢算系數(Z1)計算表

承載能力惡化系數考慮了構件缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、鋼筋保護層厚度以及混凝土強度、電阻率、氯離子含量和碳化狀況等影響因素，并綜合環境條件加以確定。具體計算見表5。

表5 承載能力惡化系數(ξe)計算表

綜合考慮材料風化、碳化、物理與化學損傷三項檢測指標的評定標度，確定混凝土截面折減系數ξc=0.98，根據空心板出現部分沿鋼筋裂縫情況，確定鋼筋截面折減系數ξs=0.98?？紤]以上折減系數修正后的大件車輛通行橋梁結構承載能力檢算結構見表6。

表6 修正承載能力檢算法計算結果表

3 大件車通行實時監測

大件車輛通行橋梁過程中的實時監測是評價橋梁在大件車通行時安全性的最直觀、有效的方法，能夠真實地反映大件車荷載效應與橋梁承載能力的比值情況[7-10]。本次選取該橋第1-3、1-4、1-5、1-6號板底跨中處進行撓度監測，測點布置如圖7，撓度實時監測圖像見圖8，監測結果見表7。

圖7 實時監測測點布置圖

圖8 第1-3～6號板時間-位移曲線

表7 橋梁實時監測結果

由以上監測結果可以看出，大件車在通過橋梁過程中，跨中撓度實測值均小于理論值，且處于彈性變化階段，表明該梁的實際狀況良好，本次大件車通行過程中橋梁處于安全狀態。

4 對比分析

基于以上三種驗算評估方法的檢算結果及大件車通行過程中的實時監測結果，對大件車輛荷載效應與承載能力的比值進行統計如圖9所示。

圖9 大件車輛荷載效應與承載能力比值統計

通過圖9可以看出，三種方法的結果與實時監測結果相比，大件車輛荷載效應與承載能力的比值均大于實時監測結果，說明三種方法計算結果均能保證結構安全，其中實際荷載檢算法計算結果最接近實時監測結果，等代荷載判別法計算結果最保守，均可用于大件車輛通行橋梁的結構安全驗算。但三種驗算方法有各自的優缺點，分析總結見表8。

表8 三種驗算方法對比

5 結論

針對大件運輸車輛通行橋梁的安全評估，在常用的等代荷載判別法和實際荷載檢算法的基礎上，提出一種承載能力修正后的驗算方法。按照三種方法對大件運輸車輛通行同一橋梁進行結構安全驗算評估，并將計算結果與該橋大件運輸車輛通行過程中的實時監測結果進行比較分析，總結了三種方法的優缺點，推薦了每種方法的適用情況。結論如下：

(1)三種驗算方法均能滿足大件運輸車輛通行橋梁安全評估驗算要求。

(2)等代荷載判別法是計算大件車輛荷載效應與設計荷載效應的比值，實際橋梁設計承載能力大于設計荷載效應，安全評估周期短。

(3)實際荷載檢算法以假定橋梁結構處于沒有任何損傷的狀態，承載能力與橋梁設計時一致，能夠較準確地反映大件車輛荷載效應與橋梁承載能力的比值，計算工作量較大，安全評估周期較長。

(4)修正承載能力檢算法引入了檢算系數、惡化系數、折減系數等進行承載能力修正，能夠較客觀地反映橋梁承載能力狀態，但驗算前需要進行橋梁材質狀況檢測，現場檢測及計算工作量大，安全評估周期長。

在實際的大件運輸車輛通行橋梁結構驗算過程中，可根據三種驗算方法優缺點及適用范圍，針對實際需求進行選用。