超载超限对公路预应力混凝土箱梁桥正常使用性能的影响

何伟南, 邵吉林

(1. 绍兴市公路管理局, 浙江 绍兴 312035; 2. 浙江省交通运输科学研究院, 杭州 311305)

超载超限对公路预应力混凝土箱梁桥正常使用性能的影响

何伟南1, 邵吉林2

(1. 绍兴市公路管理局, 浙江 绍兴 312035; 2. 浙江省交通运输科学研究院, 杭州 311305)

目前国道上的车辆超载超限问题致使中小跨径桥梁结构正常使用性能退减. 本文利用动态称重系统得到104国道某路段的车辆荷载信息, 分析当前国道各类轴型车辆荷载分布及超载超限状况. 以三跨预应力混凝土连续箱梁为依托,采用有限元方法分析不同车辆过桥时关键细节应力历程, 并对比分析超载超限的影响规律. 结果显示, 当前国道公路桥梁存在较严重的车辆超载超限情况, 将导致混凝土桥梁顶底板腹板出现裂缝, 从而影响桥梁的正常使用性能, 其中超限作用更为敏感.

超载; 超限; 预应力混凝土箱梁; 主拉应力; 裂缝

引言

随着国省道公路逐步取消收费, 为了节约运输成本, 原先大量走高速公路的货运车辆都转走国省道及地方公路, 使得国省道公路上的重型车比例增多, 而部分车主为了追求短期的经济效益更是严重超限超载. 近年来大量国省道及地方公路桥梁出现了不同程度的损坏, 个别桥梁甚至出现了被压塌的严重事故, 造成重大经济财产损失以及桥塌、车毁、人亡的严重后果, 因此针对公路桥梁的超载超限问题的研究已迫在眉睫.

超载超限运营使得桥梁结构不堪重负, 引起桥梁结构开裂、有效预应力降低并致使桥梁结构刚度降低、承载力下降, 长此以往公路桥梁的使用性能将大大降低. 孙晓燕[1]等通过12根钢筋混凝土梁的超载试验分析超载对桥梁构件受弯性能的影响, 试验结果表明超载对桥梁构件承载力的降低不显著, 但超载作用后桥梁构件裂缝和挠度明显增大, 从而导致正常使用性能降低. 张建仁[2]等对在役钢筋混凝土简支T型梁桥运用千斤顶加载模拟两轴、三轴载重汽车荷载, 研究超载和极限荷载作用下的锈蚀钢筋混凝土梁桥的受力性能. 李全旺[3]等基于结构时变可靠度理论对超重负荷的在役桥梁承载力退化演变规律研究, 研究结果显示桥梁荷载历史对桥梁结构性能退化有重要的影响.

本文以104国道上一座预应力混凝土箱梁桥梁为依托, 基于动态称重系统采集的实际车辆荷载数据,研究超载超限车辆作用下桥梁关键响应的分布特点, 为公路混凝土桥梁治超提供技术支持.

1　国道超载超限现状分析

为了反映当前国道公路桥梁的实际汽车荷载特性, 基于动态称重系统(WIM)采集到了10个月的104国道绍兴地区某路段上通行车辆信息(轴型、轴重、总重、轴距等). 其中车辆总重及最大轴重是汽车荷载的两个重要参数, 其统计结果如图1所示.

图1　车辆总重分布

根据我国七部委联合治超对超载车辆的认定标准[4], 可按下面的公式对车辆超载超限情况进行分析:

结果 (见表1) 显示, 二至六轴车辆均出现了不同程度的超载情况, 其中三轴车和六轴车的超载车辆出现比例最高, 超载率分别为17.9%和17.5%, 六轴超载车辆的荷载分布范围较大, 总重超130t的车辆占该轴型车辆的1.5%; 二轴超载车辆出现的最大超载程度最大, 车辆总重达到治超标准重的四倍. 所有轴型车辆均出现了单轴超35t的超限车辆, 按单轴10t为限载标准, 三至六轴车出现超限情况的比例均较大,同时尽管二轴车的超限车辆比较相对较小, 但其出现的超限程度是所有车型中最大.

表1　基于实测数据的超载超限分析

为便于对实际车辆过桥荷载效应分析, 基于上述各类轴型车辆荷载特征, 利用下面的公式计算各类轴型车辆的等效荷载[5]:

由此制定得到的二至六轴车型的等效标准车辆荷载见表2. 由表2可以看出, 标准车辆荷载模型与轴型数基本呈线性关系, 六轴车的标准荷载总重达到桥规车辆荷载55t的限值. 除二轴车外其余各轴型车辆的最大轴重均超过了10t单轴限值.

表2　国道汽车标准荷载的制定

五轴车360.0124.0 1854 0.0019六轴车553.0147.0 7160 0.0074

2　预应力混凝土箱梁桥的有限元模拟

钟家湾立交桥主桥为一座三跨(22m+38m+22m)预应力混凝土连续箱梁, 其跨径及截面布置形式如图2所示. 为获得准确地车辆过桥引起的关键细节点的应力状态, 采用ANSYS大型通用有限元软件建立全桥实体模型. 桥梁结构的各主要构件模型建立概况如下:

(1) 主梁: 混凝土主梁为等高度变截面连续梁, 主桥平曲面半径R=360m , 采用Solid45单元模拟, 混凝土材料参数按C50确定, 有限元模型如图3所示;

(2) 预应力: 按照实际预应力钢束布置形式进行建模, 采用Link180单元模拟, 考虑锚具变形、孔道摩擦、收缩徐变等因素引起的预应力损失, 模型中的预应力布置如图4所示;

(3) 边界条件: 桥跨支座约束布置形式如图2所示, 考虑改善弯箱梁支承反力分布的支座外移, 模型在支座位置处均进行竖向约束, 中支点在横桥向均自由, 纵桥向一中支点固定.

图2　钟家湾立交主桥的跨径布置及截面形式(单位: 米)

图3　预应力混凝土箱梁桥有限元模型

图4　预应力布置图示

考虑汽车行驶于桥梁的移动荷载特点, 在有限元模拟车辆过桥时将汽车第一个轴重作用于桥跨开始计入, 直至汽车最后一个轴重离开桥跨结束, 并考虑不利荷载效应将移动荷载沿弯桥外车道布置. 利用荷载步, 将车辆过桥移动距离等分30份, 分别计算每次车辆移动至相应桥跨位置时的荷载效应, 每步分析计入箱梁自重及预应力效应. 图5所示为标准六轴车过桥移动荷载的模拟. 在计算工况中, 考虑桥梁实际承受的超载超限作用, 在制定的标准荷载基础上再进一步考虑超载超限1倍(车辆荷载/标准荷载=2.0)和超载超限3倍(车辆荷载/标准荷载=4.0)的工况.

图5　六轴车辆移动荷载加载图示

3　超载超限荷载效应分析

随着车辆荷载增大, 桥梁结构的关键响应值也将增大. 二轴至六轴标准车辆过桥引起的边跨、中跨跨中及中跨四分点顶底板及腹板主应力幅如图6所示. 从图6可以看出: 1)标准车辆过桥引起的关键截面主应力变化幅值均小于1.0MPa, 即在标准车辆荷载作用下该箱梁桥不发生因达到混凝土抗拉强度而出现受力裂缝; 2)在顶板引起的主拉应力较底板更为显著, 顶板主拉应力幅较明显反映出其个数与轴数基本一致,且应力变化范围与车辆轴距有关; 3)该箱梁桥在中跨四分点的腹板主应力均较少, 车辆荷载效应的关键控制区域为截面顶底板.

图6　二至六轴标准荷载作用关键应力历程

随着车辆荷载大小的增加, 桥梁结构的关键响应值也将增长, 在图6基础上分析超载1倍和3倍情况,可以看出: 1)二轴标准荷载下的主应力值仍较小, 未达到混凝土抗拉强度, 能保持较好的使用性能; 2)其余轴型车辆随着超载程度增大, 边跨跨中及中跨跨中等截面的顶底板都将出现较大的主拉应力, 特别是箱梁顶板的主拉应力值增长明显. 当达到混凝土抗拉强度时, 将可能诱发由超载车辆作用引起的相应区域的开裂; 3)除四轴车辆荷载在边跨跨中顶板引起更显著的主拉应力外, 其余轴型车辆的最大主拉应力均出现在中跨跨中截面顶板处.

为了分析各类轴型车辆过桥时最大主拉应力发展规律, 分别对车辆总重和最大轴重进行比较, 结果如图7所示.

1) 图7(a)为随着车辆总重的增加, 不同轴型车辆的最大主拉应力增长变化. 结果显示, 不同轴型车辆的总重与主拉应力变化趋势不一致; 轴数较少的车辆引起的主拉应力对车辆总重更为敏感; 相同车辆荷载时三轴车辆引起的主拉应力比四轴车更大, 但两者主拉应力随总重的增长率基本一致; 五轴车和六轴车随车辆总重增长具有较一致的变化.

2) 图7(b)为各轴型车辆中最大轴重与产生的最大主拉应力的关系. 结果显示, 不同轴型车辆的最大轴重与主拉应力的变化规律一致, 即随着最大轴重的增大主拉应力也相应增大; 主拉应力值及变化率大小基本与最大轴重成正比, 即六轴车辆(最大轴重为147kN)变化率最大, 三轴车(最大轴重为138kN)次之,然后为五轴车(最大轴重为124kN); 由于这里比较的四轴车最大主拉应力取为边跨跨中截面, 因而与其他轴型车辆的变化趋势有差别.

3) 由上述两种主拉应力比较可知, 车辆荷载引起的最大主拉应力与车辆荷载的轴重的关系更为密切.

图7　最大主拉应力与车辆荷载的关系

4　结论

(1) 基于实测数据, 该国道路段的车辆超载超限现象仍较普遍, 三轴车和六轴车的超载超限车辆出现比例最高, 同时二轴、三轴、五轴车出现了超单轴10t限载4倍的超限情况;

(2) 基于制定的各轴标准汽车荷载, 预应力混凝土箱梁外边跨、中跨跨中及中跨四分点顶底板及腹板处的主拉应力值均小于混凝土抗拉极限强度, 即在正常车辆荷载作用下桥梁结构能保持较好使用性能,但随车辆荷载增加, 特别是轴数较大汽车过桥将导致顶底板主拉应力值增长明显, 可能诱发相应区域开裂, 从而影响正常使用性能;

(3) 比较车辆总重和最大轴重与桥梁关键截面最大主拉应力的关系可知, 各类轴型车辆总重与主拉应力变化趋势不一致, 但最大轴重与主拉应力的变化规律基本一致, 且随着最大轴重的增大主拉应力变化率也随着增长, 因而在治超管理时需要对单轴超限情况予以重点关注.

[1] 张晓燕, 黄承逵, 赵国藩, 等. 超载对桥梁构件受弯性能影响的试验研究[J]. 土木工程学报, 2005, 38(6): 35～40

[2] 张建仁, 彭 晖, 张克波, 等. 锈蚀钢筋混凝土旧桥超限及极限荷载作用的现场破坏性试验研究[J]. 工程力学, 2009, 26: 213～224

[3] 李全旺, 王 草, 张 龙. 考虑结构劣化和荷载历史的既有桥梁承载力更新[J]. 清华大学学报, 2015, 55(1): 8～13

[4] 张喜刚. 公路桥梁汽车荷载标准研究[M]. 北京: 人民交通出版社, 2014

[5] 童乐为, 沈祖炎, 陈忠延. 城市道路桥梁的疲劳荷载谱[J]. 土木工程学报, 1997, 30(5): 20～27

The Influence of Overload and Overrun on the Service Performance of Prestressed Concrete Box Girder Bridges

HE Wei-nan1, SHAO Ji-lin2
(1. Shaoxing Highway Administration, Shaoxing, 312035, China; 2. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport, Hangzhou, 311305, China)

The overload transportation results in the service performance degradation of small and medium span concrete bridges on the national roads. Based on the practical data of vehicle load in national road 104 measured by Weigh in Motion (WIM) system, the vehicle load distribution and the status quo of the overload transportation were analyzed. Supported by a three-span prestressed concrete continuous box girder bridge, the critical stress history via different vehicles was analyzed and the overload effect was compared by finite element method. The result shows that it still exists a serious overload transportation situation which leads to concrete crack in the top and bottom flanges and the web of the box girder and deteriorates the service performance of concrete bridge, and the over-limit of axle weigh is much more sensitive to the concrete bridge behavior.

overload, overrun; prestressed concrete box girder bridge; principal tensile stress; crack

U445.7

A

1672-5298(2016)03-0063-08

2016-06-08

何伟南(1977- ), 男, 浙江金华人, 硕士, 绍兴市公路管理局高级工程师. 主要研究方向: 桥梁养护与管理