混凝土连续梁桥大件运输通行能力评估分析

■谢 润

（福州市公路事业发展桥隧中心，福州 350001）

近年来，随着我国电力、能源、交通、冶金等行业的基础设施建设的不断加快，对大件运输的需求越来越大。 大件运输中的“大件”是指长、宽、高超过车辆限界标准，价值大、形状复杂、重量大且不可解体拆分的运输货物。 影响大件货物能否顺利地运往目的地的因素很多，如运输路线的选择、运输车辆的选择、过桥安全性等，其中过桥安全性是最关键的因素。 大件运输车辆的荷载效应一旦超过桥梁的设计荷载效应时，会对途经桥梁造成较大的影响和损伤，使原有病害进一步恶化，大大缩短桥梁的使用寿命。 为了保证大件运输车辆安全通过桥梁，本文在相关文献研究的基础上[1-4]，提出大件运输条件下桥梁承载能力验算方法， 并以福州市浦东大桥为工程背景， 研究混凝土连续梁桥的大件运输通行能力。

1 项目概况

浦东大桥位于连江江河口，距河口入海口处约2.5 km。大桥起点位于连江鳌江南岸岱江中学附近，终点位于鳌江北岸浦口镇。 大桥上部结构型式为预应力混凝土连续T 梁，全桥共分两联，第一联桥跨布置为5×35 m（第一跨～第五跨），第二联为4×25 m（第六跨～第九跨），总长291.0 m，主梁采用双导梁架设施工。 桥墩为双柱式墩，桥墩基础为钻孔桩，东岱台为U 型重力式桥台及扩大基础，浦口台为肋式台及钻孔灌注桩基础， 桥头设置8.0 m 长搭板与路基过渡。 桥梁设计荷载为汽-20，全桥立面布置如图1 所示。该桥位于国道228 线上，承担着大量的大件运输任务，因此其承载能力状况是需要特别关注和重视的。

图1 桥梁布置图

2 既有桥梁承载能力的折减

大件运输车辆经过时，如何对其承载能力及适应性能进行合理评估已成为桥梁工程界普遍关心的热点问题之一。 《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）[5]根据桥梁的试验检测结果，对桥梁结构的抗力进行修正计算。 对于钢筋混凝土桥梁，承载能力的评定公式如下：

式中：γ0为结构的重要性系数， 取值分别为1.1、1.0 和0.9，对应于设计安全等级一级、二级和三级；S 为荷载效应函数；R（·）为抗力效应函数；Z1为承载能力检算系数； fd为材料强度设计值；ξc为结构的截面折减系数；adc为构件混凝土几何参数值；ξs为钢筋截面折减系数；ads为构件钢筋几何参数值；ξe为承载能力恶化系数。 对上述4 个折减系数可整合为一个承载能力综合影响系数K，即:

因此，结合现行规程对各折减系数的取值，各种上部结构技术状况等级的桥梁承载能力综合影响系数K 取值分别为：1 类 （1.10～1.13）、2 类（0.98～1.01）、3 类（0.78～0.82）。 其上下限值可根据钢筋性状描述进行取值， 因此承载能力的评定公式修正为：

3 大件运输作用下桥梁承载能力评估方法

综合现有的桥梁承载能力评估方法，提出了适用于大件运输过桥的承载能力快速验算方法，如图2 所示。

图2 大件运输车辆过桥的承载能力快速验算方法

具体步骤如下：（1）确定桥梁技术状况。 在进行桥梁承载许可验算前， 根据收集到的桥梁技术资料，确定桥梁的技术状况。 对于存在桥梁技术状况为四类及以上的情况， 默认为桥梁技术状况较差，不具备通行条件，否定本次运输路线，建议承运方选择其他路线。（2）结构承载力计算。建立桥梁的三维有限元计算模型，计算桥梁在原设计车辆荷载作用下主要控制截面产生的弯矩、剪力或轴力，并根据桥梁的技术状况对结构的承载力进行折减或提高。（3）大件运输下内力效应计算。计算桥梁在大件运输作用下的内力效应，并与步骤(2)得到的结构承能力进行对比。（4）通行决策。若大件运输作用下的内力效应小于结构的承载力，大件运输车可通过桥梁；若大件运输作用下的内力效应大于结构的承载力，需要进一步的判断，即绕行或加固。

4 大件运输通行能力评估

4.1 大件运输车的技术参数

以近一年福州市公路事业发展中心的大件运输车审批表数据为基础，对大件运输车的关键技术参数进行统计分析，选择一种最典型的大件运输车型进行后续桥梁承载能力的验算， 如图3 所示：牵引车引车前后轴距离l1=3.0 m、牵引车后轴轴距l2=1.4 m、牵引车和挂车距离D=8.0 m。 鉴于挂车轴距l3对大件运输下桥梁的内力效应有较大的影响，本文将验算两种不同挂车轴距的车型，即大件运输车A（l3=1.0 m）和大件运输车B（l3=1.3 m）。

图3 大件运输车纵向轴重排列示意图

4.2 空间有限元模型

因浦东大桥第一联和第二联的结构形式相同，均为连续T 梁桥，本文以第二联为例进行大件运输通行能力评估计算。 根据设计图纸， 基于MIDAS Civil 建立的三维空间有限元模型如图4 所示，采用梁格法方式建模如下所示：（1）纵梁与T 梁中心线重合，设5 根纵梁，纵梁单元截面与T 梁截面一致；虚拟横梁单元的间隔设置与纵梁单元划分一致，截面形式采用刚度等效的原则以一工字型截面替代。横隔板根据实际位置和截面建立。 （2）边界条件为简支，即每根纵梁左端限制竖向、桥纵向和桥横向位移，其余支座位置只限制竖向和桥横向位移。

图4 浦东大桥有限元计算模型（第二联）

4.3 计算结果分析

桥梁上部结构技术状况等级为三类，全桥钢筋性状良好， 因此承载能力综合折减系数可取K=0.82。 在浦东大桥有限元模型上施加标准车辆荷载和大件运输车荷载，通过影响线加载计算得到的内力效应。 以84 t 大件运输车A 为例，浦东大桥在其作用下的内力包络图如图5 所示，可见在最大正弯矩在梁跨中位置，最大负弯矩在支点位置；中梁的跨中最大弯矩要比边梁大，所以此时控制结构安全最关键指标是大件运输车作用下中梁的弯矩要小于标准车辆荷载作用下中梁的弯矩。 此外，在车辆荷载作用下，支点处会产生较大的剪力，因此大件运输条件下的支点剪力效应还需小于原设计的支点剪力效应。

图5 84 t 大件运输车A 作用下浦东大桥的内力包络图

荷载效应比较如表2、3 所示。 冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）取值，第一联的跨度为35 m，经计算冲击系数取0.075；第二联的跨度为25 m，经计算冲击系数取0.15。 挂车与超限车辆因行驶速度较慢，不计冲击效应。 可见，对于大件运输车A 和大件运输车B，额定车货总重均为84 t，额定挂车轴数为n=3。

表2 大件运输车作用下剪力效应统计（单位：kN）

表3 大件运输车作用下弯矩效应统计（单位：kN·m）

5 结论和展望

本文结合大件运输的特点，针对大件运输中桥梁承载能力评定问题进行研究，并提出相应的解决方法。 本文根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》采用的评分系数法对既有桥梁承载能力折减方法进行了归纳，进而提出了大件运输条件下桥梁承载能力验算方法， 并以福州浦东大桥为工程背景，建立了其空间有限元模型，提出桥梁承载能力验算方法，计算了大件运输车额定车货总重和挂车额定轴数。 本研究为公路桥梁的大件运输通行能力评估提供一定的参考。

但本文仅对大件运输车辆过桥时的承载能力极限状态进行了评估， 未对其正常使用下的裂缝、应力、变形进行评估，大件车辆过桥时对既有桥梁的损伤程度判别和荷载控制标准是今后需要加强研究的一个方向。