大件运输车通过临时钢栈桥的安全评估

郑德粮

（北京九通衢检测技术股份有限公司，北京 100070）

1 引言

大件运输车辆的荷载效应远大于《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中规定的荷载效应，车辆过桥其安全性是非常重要的问题。采用科学、合理的过桥安全评估方案，判定桥梁的承载力状况，是整个大件运输过程中最为关键的环节。

许多学者对大件运输车过桥问题进行了研究。刘尧[1]对大件运输车的路线选择、公路桥梁承载能力评估检算方法、荷载试验评估方法和桥梁加固方法进行了研究，并进行了实际工程验证。杨宁[2]提出了依靠“危险截面挠度法”来验算大件运输车辆过公路桥的可行性。李智斌[3]对中小跨径PC 简支梁公路桥大件运输荷载控制标准进行了研究，提出了既有桥梁大件运输的荷载控制标准。Liu Simeng[4]针对拱桥开发了一种配种平衡技术，将经过计算的辅助载荷放置在结构上，而不用采用增加截面进行加固，证明重型车辆可以通过桥梁，为大件运输车通过拱桥提供了有效方案。姚明强[5]介绍了基于大件运输的公路桥梁通过性及通行方法研究，重点对大件运输路线的选择、桥梁的承载力评定情况和承载能力不足的桥梁加固方法进行了全面的研究。刘波等[6]对运输过程中的公路桥梁的动力响应进行实时监测，并利用有限元软件ANSYS进行了求解，研究成果对研究大型物件过桥时车桥耦合振动具有重要借鉴意义。赵庆云等[7]通过荷载效应比较法建立桥梁快速评估数据库，形成不同设计荷载、不同结构型式的常规桥梁的超重系数图谱，为开发大件运输通行桥梁快速评估系统提供算法基础。孙玉[8]阐述了大件运输的总体思路，分析了几种常用评估方法的原理、优缺点及适用条件，并对通行能力评估结果进行了合理分类。刘林[9]针对大件运输车辆对经过的桥梁是否造成损害及损害程度问题，分别从桥梁承载能力和可靠度评估角度，对梁桥技术状况和可靠度指标等进行了评估分析。

可以看出，现有研究主要针对公路桥梁，缺少大件运输车通过临时钢栈桥的研究。本文依托风力发电机组大件运输车通过黄岩区长决线黄永桥旁的临时钢栈桥项目，对大件运输车通过临时钢栈桥的安全评估进行了研究。

2 工程概况

为了开发浙江省黄岩地区的风能资源，拟安装2000kW 的风力发电机组，将发电机组零件运往目的地，需经过黄岩区长决线黄永桥旁的临时钢栈桥。该桥为2016 年建造完成，一期工程运输之后将该桥梁封闭。为了本工程的正常运输，通过桥梁现状调查及承载能力验算，评价临时钢栈桥结构在运输车辆荷载作用下的工作情况，并确定车辆的最佳行车轨迹（图1～图3）。

图1 钢栈桥右侧立面示意图（cm）

图2 钢栈桥平面示意图（cm）

图3 钢栈桥横断面示意图（cm）

钢栈桥全桥为钢构件焊接而成，上部结构采用纵横梁格结构，56b工字钢主梁为主要受力构件，1跨～5跨（从右至左编号）每跨纵向布置7 根，第6 跨纵向布置5根。工字钢纵梁上架设20b工字钢横梁，上铺钢板作为桥面。桥梁下部结构为钢管柱和56b 工字钢横梁作为桥墩，每个桥墩设置3 根钢管柱，墩柱钢板厚度为15mm，内灌注混凝土。桥面铺装层铺设8mm钢板。

3 运输车辆概况

经对运输车方案比选，本次运输车辆采用后六线十二轴平板车。运输车辆总长29m，宽度3m。运输车辆重42t，运输货物重78t，总重为120t，2M 风机叶片实际转盘到后轮长24m（图4）。

图4 运输车辆及荷载分布示意图（cm）

4 钢栈桥现状调查

上部构件主要病害为全桥主梁构件涂层出现起皮、脱落现象，构件表面发生轻微锈蚀。下部主要病害为桥墩柱顶横梁构件涂层出现起皮、脱落现象，构件表面发生轻微锈蚀，立柱表面涂层少量剥落，2#、3#立柱底部受火熏黑，损伤程度轻微。桥墩混凝土基础主要病害为桥墩混凝土基础冲刷，2#墩混凝土基础出现掏空，掏空深度为0.5m，3#墩混凝土基础出现轻微冲刷，未见掏空，4#墩混凝土基础下游侧出现轻微冲刷，掏空深度0.2m。桥面主要病害为桥面钢板表面出现轻微锈蚀，3块钢板与横向分配梁出现多处焊缝脱落，1块钢板隆起变形。

5 承载能力检算

5.1 验算模型

根据桥梁结构尺寸以及平面位置，利用Midas civil建立本钢栈桥的分析模型。主梁采用I56b 工字钢截面，横向分配梁采用I20b 工字钢，桩顶分配梁采用三榀I56b 工字形截面。桥墩采用700mm×15mm 钢管桩，偏安全不考虑内部混凝土（图5）。

图5 钢栈桥计算模型

边界条件：钢管墩底采用固结，三榀I56b 横梁与主梁以及主梁与I20b 横向分配梁采用弹性连接，桥梁两侧与桥台采用固定线位移释放转动。

荷载包括自重、桥面钢板重量、运输车荷载。运输车行车道按照中载、内偏载与外偏载三种方式布置：中载为沿着桥梁中心线行使，内偏载为运输车靠内侧行驶，内侧车轮距离桥梁内侧边线1m；外偏载为运输车靠近外侧行驶，外侧车轮距离桥梁外侧边线为1m（图6）。

图6 车道布置情况

考虑到此桥为临时结构，承载能力极限状态基本组合为：1.2自重+1.4运输车荷载；正常使用极限状态验算采用标准值组合为：1.0自重+1.0运输车荷载。

5.2 车道位置对结构受力的影响

依据内侧、中间、外侧三个车道位置下的主梁应力，对车道位置进行了分析，三个车道位置下，运输车产生的应力如图7～图9所示。

图7 运输车沿着内侧行驶下的主梁应力

图8 运输车沿着中间行驶下的主梁应力

图9 运输车沿着外侧行驶下的主梁应力

由图7～图9 可以看出，大件运输车沿着临时钢栈桥内侧车道行驶时，主梁的最大应力为114.2MPa；沿着临时钢栈桥中间车道行驶时，主梁的最大应力为113.7MPa；沿着临时钢栈桥外侧车道行驶时，主梁的最大应力为135.9MPa。由于横向分配梁I20b 的刚度较小，导致主梁受力不均，沿着中间行驶最为安全，因此按照车辆沿着桥梁中心线行驶进行验算。

5.3 桥面板强度验算

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时第2跨～第5 跨桥面板应力相近第1 跨，第6 跨桥面板最大应力较小，各跨桥面板最大正应力为90.5MPa。由于桥面钢板除了表面出现轻微锈蚀还存在3 块钢板与横向分配梁出现多处焊缝脱落、1 块钢板隆起变形。依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2条[10]，桥面板缺损状况评定标度为3，Z1取值0.9，桥面板钢材为Q235b，容许应力为190MPa，检算容许应力为：Z1[σ]=0.9×190MPa=171 MPa。桥面板最大正应力90.5MPa＜171MPa，强度满足要求（图10）。

图10 中间车道位置行驶时各跨桥面板应力

5.4 桥面横向分配梁强度验算

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时第2跨～第5跨桥面I20b横向分配梁的受力状态相近，且最大应力大于1 跨、第6 跨I20b 横向分配梁的最大应力，桥面I20b 横向分配梁的最大应力为142.5MPa。横向分配梁普遍存在涂层出现起皮、脱落现象，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2条[10]，I20b 横向分配梁缺损状况评定标度为2，Z1取值0.95，I20b 横向分配梁钢材为Q235b，容许应力为190MPa，检算容许应力为：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。桥面I20b横向分配梁的最大应力142.5MPa ＜180.5MPa，强度满足要求（图11）。

图11 中间车道位置行驶时桥面横向分配梁应力

5.5 主梁强度验算

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时主梁最不利断面出现在第2跨～第5跨，I56b主梁的最大应力为175.3MPa。主梁普遍存在涂层出现起皮、脱落现象，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 条[10]，主梁缺损状况评定标度为2，Z1取值0.95，I56b主梁钢材为Q235b，容许应力为190MPa，检算容许应力为：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。I56b 主梁的最大应力175.3MPa ＜180.5MPa，强度满足要求，但主梁最大应力已接近检算容许应力，安全储备较小（图12）。

图12 中间车道位置行驶时主梁应力基本组合

5.6 墩顶横向分配梁强度验算

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时墩顶横向分配梁最不利断面在5#墩外侧两个立柱之间，最大正应力为32.8MPa。墩顶横向分配梁普遍存在涂层出现起皮、脱落现象，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 条[10]，墩顶横向分配梁缺损状况评定标度为2，Z1取值0.95，墩顶横向分配梁钢材为Q235b，容许应力为190MPa，检算容许应力为：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。墩顶横向分配梁的最大应32.8MPa ＜180.5MPa，强度满足要求（图13）。

图13 中间车道位置行驶时墩顶横向分配梁应力

5.7 桥墩强度与稳定性验算

承载能力极限状态下，桥墩的应力如图14所示。

图14 中间车道位置行驶时各墩柱应力

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时墩柱最大正应力出现在5#墩中间立柱，最大正应力为42.3MPa。墩柱普遍存在涂层出现起皮、脱落现象，依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）第7.7.2 条[10]，墩柱缺损状况评定标度为2，Z1取值0.95，墩柱钢材为Q235b，容许应力为190MPa，检算容许应力为：Z1[σ]=0.95×190MPa=180.5 MPa。墩柱的最大应力42.3MPa ＜180.5MPa，强度满足要求。

图15 中间车道位置行驶时各墩柱支反力

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时最大支反力F 出现在5#墩中间立柱，为609kN。钢管桥墩采用Φ700mm×15mm，抗弯惯性矩l=1.29×10-3m4，采用Q235 钢，σp=200MPa，σs=235MPa，E=210GPa，按保守采用最长桩长l=10m 作为计算长度，长度系数u 取1，验算钢管桩的失稳临界力Fcr。

①计算λ：

式中，A 为单根钢管桥墩横截面面积，m2；i 为惯性半径；λ为钢管桥墩长细比。

②判断压杆类型：

由于λ＜λo，所以桥墩为小柔度杆。

③计算Fcr：

④计算安全系数n：

式中，nw为安全系数最小允许值。

因此可以得出，钢管墩的稳定性满足要求。

5.8 挠度验算

运输车荷载下桥梁的变形如图16所示。

图16 中间车道位置行驶时主梁挠度

经验算分析，运输车沿中间车道位置行驶时第2跨～第5 跨主梁挠度较大，其中第5 跨挠度最大，最大挠度值为18.9mm，依据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）第4.2.3 条[11]，竖向挠度限值为l/500，最大挠度值为18.9mm ＜10000/500=20mm，满足刚度要求。

6 结语

通过大件运输车辆的真实荷载，在有限元分析的基础上，对过桥路线选择和承载能力进行了检算安全评估。检算结果显示，大件运输车辆沿临时钢栈桥中心线行驶时主梁正应力最小，在主梁正应力最小情况下，桥面板计算强度、桥面横向分配梁计算强度、主梁计算强度、墩顶横向分配梁计算强度、桥墩计算强度与稳定性均满足要求，主梁计算跨中挠度在容许范围之内，发电机组大件运输车能够安全通过此临时钢栈桥。

临时钢栈桥是风力发电机组运输项目“最后一公里”的重要解决方案，本文对大件运输车辆通过临时钢栈桥的车道位置进行了比选，选出最优位置，结合桥梁材质和状况检查对各检算项目进行容许应力修正，并进行了验算分析，对同类项目具有一定的参考和借鉴意义。