基于中美规范的大件运输桥梁安全评估

唐利科， 占玉林,2， 石玉灿

(1.西南交通大学土木工程学院桥梁工程系，四川成都 610031;2.陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，四川成都 610031)

基于中美规范的大件运输桥梁安全评估

唐利科1， 占玉林1,2， 石玉灿1

(1.西南交通大学土木工程学院桥梁工程系，四川成都 610031;2.陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，四川成都 610031)

大件设备运输通过公路桥梁时需进行承载能力准确的评估，这是确保桥梁和设备安全及能否通过大件设备运输的重要保障。文章以巴基斯坦公路桥梁运输350 t大件设备项目为依托，对中美两国在超重车辆过桥时的桥梁承载能力分析要点、方法和评估原则进行了介绍。通过对预应力简支T梁桥在通行超重车辆时的结构安全的分析与计算，得到了一些有益的结论，可为同类运输案例的桥梁结构承载力评估提供借鉴经验。

公路桥梁； 大件设备运输； 数值计算； 承载能力； 中美规范； 安全评估

近年来，随着现代化工业建设的发展，在公路运输中，超重型设备运输已经是一个日渐频繁的现象[1]。由于大件运输车辆的尺寸、轴距和重量与一般车辆不同，所以其车辆荷载与规范规定的标准荷载差异较大，运输中对桥梁产生的作用效应往往超过桥梁设计荷载作用效应，进而会对桥梁的安全承载能力和正常使用性能产生非常严重的影响[2]。

目前国内外有关学者和工程师们对大件运输车辆通过桥梁时进行了大量的试验与理论研究，对其进行评价分析并取得了一定的研究成果。张辉辉[3]介绍了大件运输车辆类型和适用范围 ，对桥梁承载力验算所用方法的优缺点及适用范围进行了对比分析，提出了修正等代荷载判别法来分析桥梁承载力，且分析了大件运输通过时桥梁加固改造方法。何爱德[4]建立了大件运输车过桥安全可靠的判别式，通过取定抗力分项系数和恒载效应分项系数，反求出大件运输车辆荷载效应分项系数，并对钢筋混凝土 T 梁安全可靠性进行评估。杨宏健[5]从材料特性及结构本身承载潜力特点出发，提出了大件运输通过简支梁桥的安全评价标准。李智斌[6]对比研究了国内外大件运输车辆限制荷载标准，得到了既有桥梁在不同技术状况时的承载能力折减系数。J.deBrito[7]和Hani G.Melhem[8]等提出了快速确定桥梁承载能力的专家经验评定法。

鉴于目前国内外针对大件运输尚无统一、明确的荷载控制标准。一方面部分前期修筑的桥梁由于老化,承载能力状态和技术状况显著下降，另一方面考虑到大件运输车辆荷载的偶然性和特殊性，采用什么标准和规范来进行安全评估验算，是交通运输管理部门需要面对的重大难题。因此，基于国内外规范开展大件运输桥梁安全评估的研究具有十分重要的意义。

1 工程背景

1.1 大件运输车辆规格与参数

本项目为巴基斯坦境内运输350 t的大件设备，其大件运输模式为2纵列16轴线+600吨桥式框架梁+ 2 纵列16轴线全挂方式，车轴荷载约为192 kN，车型相关参数见图 1。

1.2 桥梁概况

该桥上部结构为12×38 m预应力混凝土简支T梁，设计荷载采用美国桥梁设计规范HL-93 荷载，于2013年建成通车。主梁由6片T梁组成，梁高2.2 m，主梁梁肋间距为3.27 m。全桥按照双向四车道设计，桥面横向布置为1.6 m(护栏等) +2×3.65 (行车道) +1.8 m中央分隔带+2×3.65(行车道)+1.6 m( 护栏等) 。桥梁结构示意见图2。

采用有限元软件建立该桥单梁模型，模拟简支T梁桥的整体受力行为。全桥共建立31个节点，节段划分为32个单元。计算模型中主梁采用一般空间梁单元模拟，采用一般支承模拟铰支座。二期恒载按照梁片数均摊在该单梁上，大件运输过桥活载通过程序自定义车道、特殊车辆活载来模拟。计算模型见图3。

根据中美两国桥梁规范设计的预应力混凝土T梁桥所用材料参数见表1、表2。

表1 混凝土性能

注：1 psi=6.895 kPa

图1 车辆布置(单位:cm)

(a)桥梁全貌

(b)桥梁横截面图2 桥梁结构示意(单位:cm)

图3 桥梁计算模型

表2 预应力钢绞线性能

2 荷载横向分布系数

大件车辆过桥时均严格要求沿路面中心行驶，且行车速度一般不能超过 5 km/h，行驶过程中不允许有加速或者制动，大件车通行过程中其他车辆不得上桥。大件车对结构的荷载效应可通过最不利静力加载得到。

由于大件运输车辆沿桥面居中行驶，经计算，桥梁中梁在跨中处的横向分布系数最大，结构所受的荷载为最不利，故取中梁进行有限元计算。据此对桥面车辆进行横向布载，分别采用刚性横梁法和杠杆法计算T梁跨中截面和支点截面的横向分布系数[9]，荷载横向分布系数得计算结果见表3。

3 美国桥梁承载能力评定方法

3.1 承载能力极限状态下荷载控制

承载能力极限状态下大件运输车辆荷载的检算主要是为了保证桥梁和大件运输设备通行安全，计算时将桥梁结构在荷载最不利组合下的作用效应与桥梁的极限承载能力进行对比分析。

表3 荷载横向分布系数计算

美国桥梁承载能力检算评定分为三个水准： 设计荷载评定、法定荷载评定和允许荷载评定，针对每一种评定方法选用不同的荷载及荷载效应系数[10]。第一水准评定为设计荷载评定,荷载采用美国桥梁设计规范规定的 HL-93 荷载，考虑强度极限状态和正常使用极限状态两种。第二水准评定为法定荷载评定，荷载根据文献[11] 规定的车辆和车道荷载取值或者根据美国各州规定的法定荷载情况取值。第三水准评定为允许荷载评定，是在至少满足第二水准评定的前提下，评定桥梁通过特殊重载车辆的安全性，荷载根据特殊运输重车的荷载取值。在文献[12]中，桥梁检算评估见式(1)。

(1)

式中：RF为桥梁分级系数；C为承载力， 对强度极限状态C=φCφSφRn，并且要求φCφS≥0.85；对正常使用极限状态C=fR；fR为应力允许值；Rn为名义构件抗力；DC为主体结构及附属结构引起的恒载作用效应；DW为桥面铺装层引起的恒载作用效应；P为预应力效应；LL为活载效应；IM为荷载冲击系数，根据实际情况进行折减；γDC、γDW、γP、γLL为对应荷载DC、DW、P、LL的荷载系数；φC为状态因子,根据外观调查情况确定的，用于考虑构件损坏裂化对承载力的折减；φS为系统因子，用于考虑冗余自由度对承载力的贡献作用；φ为LRFD抗力因子。

AASHTO规范对结构进行评估时，重点是活荷载及结构抵抗活载效应的能力，桥梁结构荷载评定用分级系数RF表示，其判别准则为：

当RF>1，桥梁具有通过此大件运输车辆的能力，桥梁安全；当RF<1，桥梁不具备通过此大件运输车辆的能力。可以通过减小轴重，提高大件通过能力，或对桥梁进行适当的加固，提升桥梁结构承载能力。

美国规范针对所有库存等级的桥梁，其承载能力评定公式中的结构抗力主要基于桥梁历史检测数据，通过调查桥梁上部结构类型、损伤状况、不同的结构及抗力行为，采用状态因子、系统因子和抗力因子来进行承载能力的折减，系数取值见表4。美国AASHTO规范中的荷载分项系数见表5。

表4 美国 AASHTO LRFR参数因子取值

表5 美国 AASHTO LRFR 钢筋混凝土桥梁极限状态及荷载分项系数

注：强度极限状态I：车辆正常使用桥梁时的基本荷载组合；强度极限状态II：特殊设计车辆或评价特许车辆时使用桥梁的荷载组合；使用极限状态I：桥梁正常运营使用的荷载组合；使用极限状态III：只涉及预应力混凝土中拉应力荷载组合；此处特殊车列容许荷载活载系数适用于单行道，桥上没有其他车辆同行时的取值[11]。

由表4可知，美国桥梁评估对抗力的折减过程也存在着主观因素, 系统因子考虑了冗余自由度的影响，有着更为严格的评估过程。其承载能力极限状态荷载组合采用强度极限状态II：1.25×恒载+1.1×大件运输荷载。从基于美国规范修正的强度极限状态下的有限元计算结果中提取纵桥向弯矩和桥梁承载能力值，并按照公式(2)绘制分级系数RF和主梁单元序号之间关系曲线图(图4)。

图4 承载能力极限状态分级系数分布

从图4中可看出：在跨中附近，检算评定分级系数RF<1，根据AASHTO规范，该桥梁不具备通过此大件运输车辆的能力。

3.2 正常使用极限状态下荷载控制

正常使用极限状态下的荷载控制标准，是针对特重车通过桥梁结构以后，桥梁不能形成残余的损伤或变形，对桥梁后期的正常运营和养护费用的降低具有重大的意义[13]。正常使用极限状态下分析大件运输车辆荷载控制标准时，应以AASHTO MBE LRFR(2011)为依据，采用作用使用极限状态I和使用极限状态III的荷载组合进行验算评估，其检算评估见式(2)。

(2)

式中参数同公式(1)。

大件运输车辆通过桥梁时，桥梁上部结构荷载已经比较明确，同时，由于大件运输车辆在桥面上行驶过程中实行交通管制，禁止行人及其他车辆通行，活荷载一项中仅考虑大件运输荷载，不考虑人群荷载和其他活荷载。在对压应力验算时采用使用极限状态I组合：1.0×恒载+1.0×大件运输荷载。在对拉应力验算时采用使用极限状态III组合：1.0×恒载+0.8×大件运输荷载。若相同车型大件车辆荷载超过此极限值时，应对桥梁结构实施加固或禁止此大件车辆通行。基于美国规范修正的正常使用极限状态下压应力和拉应力验算结果见图5。

(a) 压应力

(b) 拉应力图5 正常使用极限状态分级系数分布

从图5中可看出：在跨中附近，压应力分级系数RF<1，根据AASHTO规范，该桥梁不具备通过此大件运输车辆的能力。同时，也可以看出式(1)、式(2)所用分数形式，直接给出结构抗力和活载效应的比值, 易于了解承载力冗余或欠缺的程度。

4 中国桥梁承载能力评定方法

在中国，大件运输桥梁承载能力评定常用的方法有等代荷载判别法[14]与实际荷载检算法[15]。二者应用于大件运输桥梁承载能力检算评估时，有各自的适用条件和通过性控制标准。表6给出了两种基于中国规范的桥梁承载能力评估方法。

4.1 实际荷载检算法

实际荷载检算法即分别计算出大件运输车辆过桥时桥梁结构中的内力效应和原设计标准下结构的设计承载力，通过比较两者的大小来判断能否通过[15]。

表6 基于中国规范的承载能力评定方法

表6给出的承载能力计算公式采用引入检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数的方法分别对极限状态方程中的结构抗力效应和荷载效应进行修正[15-16]，则有式(3)。

(3)

式中：γ0为结构重要性系数；S为荷载效应函数；adc、ads为构件混凝土、钢筋几何参数值；R(,,)为抗力效应函数；Z1为承载能力综合检算系数；fd为材料强度设计值；ξe为承载能力恶化系数；ξc为截面折减系数(配筋混凝土结构)；ξs为钢筋截面折减系数。

将式(3)中结构自重分项系数取 1.2，大件运输荷载分项系数取 1.1，则有式(4)。

(4)

式中：SG为恒载效应；ST为大件运输车辆活载效应。

由文献[17]大件车验算时根据不同技术状况评定等级的既有桥梁承载能力修正系数见表7。

表7 桥梁承载能力修正系数

注：一类为完整和良好状态；二类为较好状态，轻度缺损，承载能力达到设计值；三类为较差状态，重要部件缺损较多，次要部件严重缺损，承载能力低于设计值。

中国规范并没有使用评估分级系数作为桥梁承载能力评定的结果。实际荷载检算方法是参考文献[15]，根据桥梁结构设计理论来评估现役桥梁的安全承载能力。然而该方法计算复杂，过程繁琐，对于年代久远缺乏图纸的桥梁尚需尝试恢复配筋参数后方可验算。同时，大件运输车辆通行沿线桥梁类型众多，时间紧迫，如果每次车辆通行都逐一进行检算费时费力，严重影响交通管理部门对大件运输车辆过桥的审批效率，在实际工作中难以广泛推广应用[13]。

4.2 等代荷载法

等代荷载判别法是在相同跨径用相同的影响线分别计算出大件运输车辆和标准车辆荷载的等效荷载作用效应，将二者进行比较，来判别大件运输车辆能否安全通过桥梁[2]。本次大件运输项目通过的桥梁建成通车不久，桥梁各构件承载能力劣化较弱，桥梁的实际状态与原设计标准下结构的设计承载力相差不大，故选用等代荷载计算法比较简便。它能够比较准确、快速地识别桥梁的通行能力，从而提高运前评估效率[18]。由有限元计算结果提取超重车产生的内力、标准荷载产生的内力，从而得到内力比较系数μ的分布规律见图6。

图6 内力比较系数分布

由图6知，内力比较系数μ>25 %，因此该桥不允许超重车辆通行，若必须通过时，应采取合理的加固或维修措施来保证大件运输车辆过桥的安全[19]。

5 结论

本文分析比较了中美两国在预应力简支T梁桥大件运输车辆通过时的安全性评估方法，可获得以下结论：

(1)美国桥梁大件运输评估使用分级系数RF作为桥梁承载能力评定的结果，公式采用分数形式，直接给出结构抗力和活载效应的比值，易于了解承载力冗余或欠缺的程度。

(2)结合大件运输车辆实际通行情况并基于安全考虑，在现役桥梁的大件运输的分析中，中美规范大件运输活载系数都取值1.1。

(3)考虑到桥梁的不同技术状态对其承载能力的影响，基于中国规范的实际荷载验算法采用检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数等方法分别对极限状态方程中的结构抗力效应和荷载效应进行修正，但其计算过程比较复杂、效率低下且准确评定桥梁技术状况等级具有很大的主观性。

(4)基于中国规范的等代荷载法能够比较准确、快捷地评估桥梁的通行能力，从而提高大件运输运前评估效率。

[1] 樊凡.大件运输公路及其桥梁承载力的鉴定[J].公路,1980(4):17-22.

[2] 苏建丰,徐郁峰.既有桥梁通行特种车辆安全评估研究[J].中外公路,2013(4):230-233.

[3] 张辉辉.公路桥梁大件运输关键问题研究[D].武汉：武汉理工大学,2011.

[4] 何爱德.特重车荷载作用下混凝土梁桥可靠性评估研究[D].广州:广东工业大学,2011.

[5] 杨宏健.超重车辆通行桥梁安全评定系统研究[D].大连:大连理工大学,2003.

[6] 李智斌.中小跨径PC简支梁桥大件运输荷载控制标准研究[D].重庆:重庆交通大学，2012.

[7] J.deBrito F.A.Branco,P.Tboft-Christensen and J.D.Srensen,” An expet System for concrete bridge management”[J].Engineering Structure,1997,19(7)：519-526.

[8] Hani G.Melhem and Senaka Aturaliya,“Bridge condition Rating using an Eigenvector of Priority Settings”[J].MicrocomputerS in Civil Engineering,1996(11):421-432.

[9] 李国豪,石洞.公路桥梁荷载横向分布计算[M]. 北京: 人民交通出版社，1984.

[10] 张宇峰,徐文平,杜朝伟,等. 中美公路桥梁承载能力评定方法对比研究[J]. 现代交通技术,2007(4):39-43.

[11] AASHTO.LRFD Bridge Design Specification [M[.6thed.Washington,D.C.:American Association of State Highway and Transportation Officials，2012．

[12] AASHTO.The Manual for Bridge Evaluation [M].2nded.Washington,D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials,2011.

[13] 王勇,袁浩,向桂锋,等. 受损桥梁大件运输安全性能评定方法研究[J]. 铁道建筑,2013(11):19-22.

[14] 胡胜来,郑国华,刁荣亭.超重车辆运输中桥梁承载能力的评估[J].工程建设与档案,2005(6):505-506.

[15] JTG/T J21—2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S]．

[16] JTG/T H21—2011 公路桥梁技术状况评定标准[S]. 北京：人民交通出版社，2011.

[17] 李键,钟明全,吴海军,等. 桥梁技术状况对公路大件运输承载力的影响[J]. 公路,2016(11):84-89.

[18] 邢文榜. 大件运输中桥梁通过性快速评定方法研究[J]. 中外公路,2011(3):217-220.

[19] 赵煜,任伟,吕颖钊. 超重车过桥对策研究[C]//中国公路学会桥梁和结构工程分会，杭州湾大桥工程指挥部.中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集.2005:7.

国家重点研发计划(项目编号:2016YFB1200401)；四川省科技计划项目(项目编号: 2017GZ0366)

唐利科(1992～)，男，硕士；石玉灿(1992～)，男，硕士，主要从事桥梁工程研究。

占玉林(1978～)，男，博士，副教授，从事桥梁结构行为方面的研究。

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[定稿日期]2017-05-19