關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)大件運(yùn)輸通過性評估方法的思考

宋恒揚(yáng) 鐘杰 彭浪鳴 秦健淇

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司）

0 引言

大件運(yùn)輸通常是指汽車運(yùn)輸，特別是大型設(shè)備或構(gòu)件的運(yùn)輸，使用非常規(guī)的車輛來承載超重或超尺寸或形狀特殊的物品。隨著中部崛起、西部大開發(fā)等區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，中西部地區(qū)重點(diǎn)建設(shè)工程項目規(guī)模迅速擴(kuò)大，工業(yè)設(shè)備大型化、重型化的趨勢日益明顯，特重大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)男枨罅吭絹碓酱螅殉霈F(xiàn)常態(tài)化的趨勢。

目前，對于我國大件運(yùn)輸車輛橋梁評估主要存在以下幾個方面的問題：

⑴不同批次的大件運(yùn)輸車輛，其尺寸、重量和軸荷分布都各不相同，裝載方案千差萬別，難以統(tǒng)一。

⑵我國高速公路建設(shè)年代分布較廣，各條高速路線修建年代、設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)、橋梁結(jié)構(gòu)形式各不相同。

⑶隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展，大件運(yùn)輸需求量越來越大，件數(shù)呈“爆發(fā)式”增長；對于單獨(dú)的每一件，審批單位都需要在審批時限內(nèi)對大量的橋梁進(jìn)行驗算評估，評估工作量巨大。

⑷大件運(yùn)輸橋梁評估技術(shù)含量高，重要性強(qiáng)，必須做到萬無一失，目前缺少一套安全、科學(xué)、智能、快速的評估方法。

本文重點(diǎn)對活載效應(yīng)對比法、極限承載力驗算法、荷載試驗驗證法的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍進(jìn)行研究，在確保大件運(yùn)輸過程中結(jié)構(gòu)安全的同時，進(jìn)一步提高大件運(yùn)輸車輛通過審批的工作效率。

1 活載效應(yīng)對比法

活載效應(yīng)對比法是通過計算橋梁結(jié)構(gòu)各截面在大件運(yùn)輸車輛荷載作用下的內(nèi)力（彎矩和剪力），同時計算橋梁結(jié)構(gòu)在原設(shè)計汽車活載下，各截面產(chǎn)生的內(nèi)力，將計算內(nèi)力與原設(shè)計內(nèi)力進(jìn)行比較，如果大件運(yùn)輸產(chǎn)生的內(nèi)力小于原設(shè)計汽車活載作用下的結(jié)果，則能從橋上安全通過，其計算公式為：

式中：

S大件——大件運(yùn)輸車荷載內(nèi)力；

S設(shè)計——設(shè)計荷載效應(yīng)值。

判別標(biāo)準(zhǔn)為：

當(dāng)μ≤1.0，大件車具備可同行的權(quán)利；

當(dāng)μ＞1.0，大件車喪失通過權(quán)。

根據(jù)對評估對象不同，還可分為整橋截面的荷載效應(yīng)和基于橫向分布系數(shù)的構(gòu)的活載效應(yīng)比較兩種。在大件運(yùn)輸車輛通過時，某些橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)定的行駛位置是居中行駛，如果它適用于整個斷面的承載力評估，直接可以對比荷載效應(yīng)。但對于空心板小箱梁等裝配式構(gòu)件，在進(jìn)行荷載效應(yīng)的計算時，首先需要對車輛通過時的行駛區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，然后再對橫向分布的最大系數(shù)進(jìn)行計算，而對設(shè)計荷載則要根據(jù)沖擊系數(shù)的確定再綜合判定。對大件運(yùn)輸車輛的荷載作用，同樣需要考慮設(shè)定行駛區(qū)域，以確定橫向分布系數(shù)，并在大件運(yùn)輸車輛通過時考慮一定的荷載安全系數(shù)，從而對大件運(yùn)輸車輛的荷載作用進(jìn)行確定。

2 極限承載能力驗算法

這種方法判斷大件運(yùn)輸車輛的通行要求，是利用橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力效應(yīng)和原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的設(shè)計承載力進(jìn)行比較。大件運(yùn)輸車輛過橋應(yīng)從結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三個方面進(jìn)行承載能力驗算。其計算公式如下[7-9]：

式中：

γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；

S——荷載效應(yīng)；

R(·)——抗力效應(yīng)函數(shù)；

fd——材料強(qiáng)度設(shè)計值；

ad——幾何參數(shù)設(shè)計值。

根據(jù)檢算系數(shù)計算方法，在橋梁狀況較好或僅存在輕微病害時，最終抗力會提高，考慮到該項目的特殊性和重要性，本次驗算在橋梁不嚴(yán)重病害的情況下，不考慮檢算系數(shù)，使計算結(jié)果偏保守，對于存在相對嚴(yán)重病害的橋梁，嚴(yán)格考慮檢算系數(shù)或直接開展荷載試驗進(jìn)行驗證，以確保萬無一失。

3 荷載試驗驗證法

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，材料參數(shù)取值等均留有一定的安全儲備，若想檢驗橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力，應(yīng)通過荷載試驗進(jìn)一步評定[1]。荷載試驗法不僅可以檢查大型運(yùn)輸車輛是否可以通行，還可以觀察結(jié)構(gòu)裂縫的情況，對結(jié)構(gòu)的安全儲備情況也可以進(jìn)行比較準(zhǔn)確的評估。但評估起來比較復(fù)雜，往往需要大量的設(shè)備和儀器，交通中斷的時間也比較短，而且實驗的成本也比較高。

荷載試驗判別法是指在對橋梁進(jìn)行現(xiàn)場荷載試驗后，通過理論和實測的比較結(jié)果，確立橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作模型，確定實際承載能力的一種方法。荷載試驗一般由具有相關(guān)資質(zhì)的橋梁檢測部門依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的有關(guān)條款，根據(jù)下面的公式可進(jìn)行靜載試驗和動載荷試驗，確定橋梁結(jié)構(gòu)承載能力[2]。

式中：

ξ——靜力載荷試驗結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)；

Se——實測彈性變位或主要測點(diǎn)在試驗載荷作用下的應(yīng)變值；

Ss——變位或主要測點(diǎn)在試驗載荷作用下的理論計算的應(yīng)變值。

判別標(biāo)準(zhǔn)為：

當(dāng)ξ≤1.0時，大件運(yùn)輸車輛可以安全通行。

當(dāng)ξ＞1.0 時，大件運(yùn)輸車輛不能安全通行，橋梁承載力達(dá)不到要求，需通過時應(yīng)對橋梁進(jìn)行加固處理。

動載試驗是用來判定橋梁的動力特性，評定橋梁的抗荷載能力等，是通過汽車在橋上的行駛、制動、跳車試驗等方式進(jìn)行激振荷載，利用專業(yè)設(shè)備，測量得到橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，包括頻率、振幅等，并將試驗得到的結(jié)果與橋梁模型理論計算值或規(guī)范中的規(guī)定值進(jìn)行比較，判斷橋梁的承載能力，通過試驗得到的大橋?qū)嶋H運(yùn)營狀態(tài)的確定態(tài)[1]。

結(jié)合靜載試驗、動載試驗結(jié)果，可以綜合評價橋梁承載性能。荷載試驗判別法特點(diǎn)鮮明，能準(zhǔn)確直觀的得到橋梁有關(guān)的信息，結(jié)果可靠，但是荷載試驗法工作量較大，不能代替其他方法，可以作為一種得到橋梁信息的方法或承載能力評定等方法的補(bǔ)充。

橋梁承載性能可結(jié)合靜載試驗和動載試驗結(jié)果進(jìn)行綜合評定。荷載試驗判別法具有鮮明的特點(diǎn)，能準(zhǔn)確直觀地得出橋梁相關(guān)信息，其結(jié)果可靠。缺點(diǎn)是工作量較大，不能替代其他方法，但作為其他評估方法的補(bǔ)充。

4 工程實例

以夾金山隧道TBM 設(shè)備運(yùn)輸保障為例，比較三種評估方法的使用條件。該設(shè)備采用二縱列8 軸線液壓平板車運(yùn)輸，最大單件重量148噸，車貨總重206噸。運(yùn)輸路線途徑四川境內(nèi)國道G350 和G351，共計小橋15 座、中橋16座、大橋8座。

4.1 活載效應(yīng)對比

以G350（中國熊貓大道）中心樁號為K915+780的關(guān)門溝1 號小橋為例，該橋上部結(jié)構(gòu)為整體現(xiàn)澆板，跨徑組合為1×8m 梁板長8m、凈跨6m、梁板高0.5m。未搜集到該橋的竣工圖紙。經(jīng)進(jìn)一步查證，該橋的設(shè)計荷載為公路-Ⅱ級（04 標(biāo)準(zhǔn)）[3]，所以該橋通過活載效應(yīng)對比法進(jìn)行通過性評估，活載效應(yīng)對比結(jié)果如表1。

表1 關(guān)門溝1號小橋活載效應(yīng)對比計算結(jié)果

4.2 極限承載力驗算

以G350 中心樁號為K880+027 的漁子溪1 號大橋為例，該橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，跨徑組合9×30m。上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，鋪裝采用8cm混凝土及9cm瀝青鋪裝。采用Midas Civil進(jìn)行橋梁承載能力驗算。計算模型示意圖見圖1。

圖1 30mT梁計算模型示意圖

荷載組合按1.2 恒載+1.1 活載作用進(jìn)行組合[5-6]；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.1；大件車按沿結(jié)構(gòu)中線行駛進(jìn)行布載。驗算結(jié)果如表2。

表2 漁子溪1號橋承載能力驗算結(jié)果

4.3 荷載試驗

以漁子溪1 號大橋為例，試驗共計采用5 輛400kN的載重汽車，分三級加載，滿載后持荷至變形穩(wěn)定。采用一級卸載，卸載后繼續(xù)進(jìn)行觀察至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。各級加載效率系數(shù)如表3所示。

表3 分級加載試驗效率系數(shù)

表5 控制截面殘余應(yīng)變

表6 跨中截面各測點(diǎn)撓度測試結(jié)果

表7 跨中截面殘余撓度測試結(jié)果

表8 試驗橋跨橫向增大系數(shù)

加載工況車輛加載位置通過影響線布載確定，以使工況試驗效率系數(shù)達(dá)到規(guī)范要求，如圖2。

圖2 第3級加載車輛布置圖（單位：cm）

試驗結(jié)果分析：

⑴應(yīng)變測試結(jié)果：實測控制截面應(yīng)變值小于理論計算應(yīng)變值；校驗系數(shù)為0.65～0.77，試驗橋跨梁體強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

⑵殘余應(yīng)變：控制截面各測點(diǎn)的相對殘余應(yīng)變均小于20%，結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于良好的彈性工作狀態(tài)。

⑶撓度測試：實測控制截面撓度值小于理論計算值，校驗系數(shù)為0.64～0.76，試驗橋跨結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

⑷殘余撓度：跨截面各測點(diǎn)的相對殘余撓度小于20%，結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下處于良好的彈性工作狀態(tài)。

⑸撓度橫向增大系數(shù)

結(jié)構(gòu)荷載分布不均的程度體現(xiàn)在主要測點(diǎn)控制荷載工況下橫向增加系數(shù)ξ上。其數(shù)值越小，表示荷載橫向分布越均勻，橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)的可靠性越高；這一數(shù)值越大，說明荷載橫向分布越不均勻，橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)就越薄弱。

橫向增大系數(shù)按下式計算：

式中：

Semax——實測位移（或應(yīng)變）最大值；

Sˉ——橫向各測點(diǎn)實測位移（或應(yīng)變）平均值。

實測橫向增大系數(shù)均與理論橫向增大系數(shù)較吻合，說明結(jié)構(gòu)的荷載橫向分布均勻，且梁體間橫向聯(lián)系構(gòu)造可靠。

綜上所述，漁子溪1 號大橋目前的承載能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足TBM大件設(shè)備運(yùn)輸要求。

5 方法比較

通過總結(jié)上述案例工程，得到活載效應(yīng)對比、承載能力驗算、荷載試驗的適用范圍，如表9所示：

表9 評估方法適用橋梁匯總

綜合三種方法的優(yōu)點(diǎn)可采取以下流程圖(圖3)進(jìn)行橋梁通過性評估：

圖3 評估流程框圖

6 結(jié)語

活載效應(yīng)對比法適用于中小跨徑梁橋、圖紙資料缺失的橋梁；極限承載能力驗算法適用于大跨徑梁橋、拱橋、活載效應(yīng)對比不通過的橋梁；荷載試驗驗證法適用于活載效應(yīng)對比不通過且圖紙資料缺失的橋梁、極限承載能力驗算不通過的橋梁、存在一定程度病害無法準(zhǔn)確評判承載力的橋梁；實際工程應(yīng)綜合三種方法的優(yōu)點(diǎn)后進(jìn)行橋梁通過性評估。