大件运输车辆通行桥梁安全评估与监测

郭东升

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

随着经济和生产力的不断发展，大件运输项目数量迅速增多，为了保证车辆的安全通行与桥梁的使用性能，对于大件运输车辆通行桥梁的安全评估与实时监测需求也日益增长[1]。

目前常用的大件运输车辆通行桥梁承载能力评估方法有等代荷载判别法和实际荷载检算法，然而以上两种方法均建立在“认为桥梁运营多年后的受力状态与设计状态完全一致，不存在结构损伤”的假设上，显然这种假设是不成立的，于是提出一种承载能力修正后的实际荷载检算方法[2-4]。采用上述三种方法对工程实例桥梁进行评估，并将评估结果与桥梁实时监测结果进行比较，分析三种方法的优缺点及适用性。

1 项目概况

某大件运输车辆的车货总重为356t(大件车-356)，其中牵引车辆重35t，大件车货重321t。大件运输公司提供大件车辆的轴距、轮距及轴载。该大件运输车辆通行路线共涉及29座桥梁，该段路线桥梁设计荷载为汽车-超20级、挂车-120，选取某1×10m简支空心板桥为例，进行安全评估及实时监测，桥梁横断面布置如图1。桥梁荷载横向分布系数计算结果见表1。

图1 桥梁横向布置示意图(单位：mm)

表1 桥梁荷载横向分布系数表

2 三种验算方法的桥梁安全评估

2.1 等代荷载判别法

该方法在同一跨径(或荷载长度)用同一种影响线分别计算出大件车辆和设计及验算荷载效应，将两者进行比较，以判别大件车辆能否安全通过桥梁，即将大件车辆对桥梁产生的荷载效应与通行桥梁原设计验算荷载效应比较，以此确定大件运输车辆车货总重产生的桥梁荷载效应是否小于通行桥梁的设计荷载及验算荷载，以判别大件车辆能否安全通过桥梁[5-6]。

10m跨径简支空心板桥跨中最大弯矩挂车-120及大件车-356加载图如图2、图3。

图2 跨中截面最大弯矩挂车-120加载图

图3 跨中截面最大弯矩大件车-356加载图

10m跨径简支空心板桥支点最大剪力挂车-120及大件车-356加载图如图4、图5。

图4 支点截面最大剪力挂车-120加载图

图5 支点截面最大剪力大件车-356加载图

由以上跨中截面最大弯矩、支点截面最大剪力加载图可求得10m跨径简支空心板桥挂车-120及大件车-356内力计算结果如表2。

表2 等代荷载判别法计算结果表

由表2中计算对比可知，大件车-356对桥梁的荷载效应小于原桥挂车-120荷载效应，大件车可以通行。

2.2 实际荷载检算法

该方法计算大件车辆对桥梁产生的荷载效应与桥梁结构的计算抗弯、抗剪承载能力进行对比，以此判别大件车辆能否安全通过所验算桥梁，并能够反映桥梁结构的剩余安全储备。

本项目采用梁格法进行桥梁结构建模计算，为保证模型计算结果能够较准确地反应结构的实际受力，模型尺寸、材料、施工过程等都严格按照设计图纸进行模拟。计算大件车辆荷载效应以大件车实际轴载分布进行加载，不考虑冲击系数，荷载组合系数结构恒载取1.2，大件车取1.0。计算结构承载能力不考虑桥面铺装参与受力。有限元模型的大件车实际荷载检算结果见表3，桥梁有限元模型见图6。

表3 实际荷载检算法计算结果表

图6 简支空心板桥有限元模型图

由表3计算对比可知，大件车-356对桥梁的荷载效应小于桥梁结构计算承载能力，大件车可以通行。

2.3 修正承载能力检算法

该方法根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，基于桥梁结构的检测结果，依据桥梁缺损状况、材质强度、桥位环境、裂缝情况等，引入桥梁检算系数、承载能力恶化系数、截面折减系数对桥梁结构的承载能力进行修正，并通过大件车荷载效应与修正后桥梁承载能力比较，判定大件运输车辆能否通过桥梁[1]。

根据现场检测桥梁的病害情况，按《公路桥梁技术状况评定标准》进行桥梁总体技术状况评分为78.60分，总体技术状况等级为3类。

综合考虑桥梁构件表观缺损状况、材质强度和桥梁结构自振频率确定构件承载能力检算系数评定标度D，然后根据承载能力检算系数评定标度得出检算系数Z1，具体计算见表4。

表4 承载能力检算系数(Z1)计算表

承载能力恶化系数考虑了构件缺损状况、钢筋锈蚀电位、钢筋保护层厚度以及混凝土强度、电阻率、氯离子含量和碳化状况等影响因素，并综合环境条件加以确定。具体计算见表5。

表5 承载能力恶化系数(ξe)计算表

综合考虑材料风化、碳化、物理与化学损伤三项检测指标的评定标度，确定混凝土截面折减系数ξc=0.98，根据空心板出现部分沿钢筋裂缝情况，确定钢筋截面折减系数ξs=0.98。考虑以上折减系数修正后的大件车辆通行桥梁结构承载能力检算结构见表6。

表6 修正承载能力检算法计算结果表

3 大件车通行实时监测

大件车辆通行桥梁过程中的实时监测是评价桥梁在大件车通行时安全性的最直观、有效的方法，能够真实地反映大件车荷载效应与桥梁承载能力的比值情况[7-10]。本次选取该桥第1-3、1-4、1-5、1-6号板底跨中处进行挠度监测，测点布置如图7，挠度实时监测图像见图8，监测结果见表7。

图7 实时监测测点布置图

图8 第1-3～6号板时间-位移曲线

表7 桥梁实时监测结果

由以上监测结果可以看出，大件车在通过桥梁过程中，跨中挠度实测值均小于理论值，且处于弹性变化阶段，表明该梁的实际状况良好，本次大件车通行过程中桥梁处于安全状态。

4 对比分析

基于以上三种验算评估方法的检算结果及大件车通行过程中的实时监测结果，对大件车辆荷载效应与承载能力的比值进行统计如图9所示。

图9 大件车辆荷载效应与承载能力比值统计

通过图9可以看出，三种方法的结果与实时监测结果相比，大件车辆荷载效应与承载能力的比值均大于实时监测结果，说明三种方法计算结果均能保证结构安全，其中实际荷载检算法计算结果最接近实时监测结果，等代荷载判别法计算结果最保守，均可用于大件车辆通行桥梁的结构安全验算。但三种验算方法有各自的优缺点，分析总结见表8。

表8 三种验算方法对比

5 结论

针对大件运输车辆通行桥梁的安全评估，在常用的等代荷载判别法和实际荷载检算法的基础上，提出一种承载能力修正后的验算方法。按照三种方法对大件运输车辆通行同一桥梁进行结构安全验算评估，并将计算结果与该桥大件运输车辆通行过程中的实时监测结果进行比较分析，总结了三种方法的优缺点，推荐了每种方法的适用情况。结论如下：

(1)三种验算方法均能满足大件运输车辆通行桥梁安全评估验算要求。

(2)等代荷载判别法是计算大件车辆荷载效应与设计荷载效应的比值，实际桥梁设计承载能力大于设计荷载效应，安全评估周期短。

(3)实际荷载检算法以假定桥梁结构处于没有任何损伤的状态，承载能力与桥梁设计时一致，能够较准确地反映大件车辆荷载效应与桥梁承载能力的比值，计算工作量较大，安全评估周期较长。

(4)修正承载能力检算法引入了检算系数、恶化系数、折减系数等进行承载能力修正，能够较客观地反映桥梁承载能力状态，但验算前需要进行桥梁材质状况检测，现场检测及计算工作量大，安全评估周期长。

在实际的大件运输车辆通行桥梁结构验算过程中，可根据三种验算方法优缺点及适用范围，针对实际需求进行选用。