大件车与超载车对空心板桥荷载效应对比分析

段卫党，邓泽城，詹冲冲，刘 笑，王 涛

(1.江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌 330025；2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064，3.中交瑞通路桥养护科技有限公司，陕西 西安 710061)

0 引言

随着公路运输行业日渐兴盛，大件车与超载车辆越来越多地出现在公路交通运输中。大件车是一种运输不可分割的重型货物的专用车辆[1]，在上路之前需得到相关部门的通行许可，其长度与总重均可能超限，但其轴重在限载内。相比之下，超载车辆是载重超限，未经许可违规上路的运输车辆，该类车辆的荷载形式为四轴卡车，五轴半挂卡车，六轴半挂卡车，该类车辆的轴重往往大幅超限。空心板桥梁在我国交通路网中量大面广，其设计活载效应与设计恒载效应比值要比大跨桥梁高得多，这决定了空心板桥梁对车辆荷载效应敏感性高。因此很有必要分析大件车与超载车辆这2种超限荷载对空心板桥梁的效应。

针对大件车或超载车辆对桥梁荷载效应，诸多学者开展了相关的研究。CHOI[2]等建立了一种利用大件车荷载效应与设计汽车荷载效应比值的方法来评估大件车过桥的安全性。李浩恒[3]研究了梁式桥大件运输的控制轴载并对大件运输过桥安全性做出评估；李智斌[4]对中小跨径PC简支梁桥做了大件运输荷载控制标准研究；周广利[5]基于荷载效应比较法，通过对比 89 版、04 版和 15 版《公路桥涵设计通用规范》中汽车荷载效应与液压轴线车效应，探索建立了装配式简支板桥通行能力的判定标准；LENNER[6]等利用可靠度理论建立了适用于大件车的荷载与抗力系数评估方法；袁阳光[7]等同时考虑安全性与正常使用性能的要求建立了大件车过桥评估方法。亓祥宇[8]等分析了不同的大件车轴距、轮距和轴荷对桥梁内力影响，建议大件车可通过增加轴数，减小轴重来安全通过已有桥梁。黄平明[9]等基于河北省宣大高速长达18个月的动态称重数据，分析了空心板桥在重载下的交通安全性；胡大琳[10]等基于陕西省府店路交通荷载调查结果，分析了超重交通对公路桥梁的影响，并给出了相应的控制对策；秦禄生[11]通过对高速公路小跨径简支板桥的重车加载试验，分析了重载交通对小跨径简支板桥横向铰接能力的影响；VIGH[12]等借助数值方法建立了超重车辆荷载过桥的快速审批和结构评估方法；ZHANG[13]等通过现场加载试验分析了一座超载作用下的在役桥梁在接近承载能力极限状态的受力特性；OBRIEN[14]研究结果认为桥梁结构的运营安全性对于车辆荷载总体分布的右尾部(重载交通)更为敏感；张海涛[15]针对超载车辆引起的桥梁垮塌失效、疲劳破坏和桥面系破损等问题进行了分析，并针对我国超载问题提出管控方法。赵士良[16]等以结构正常使用极限状态为出发点，分析了重载交通下空心板桥梁的抗裂性能；ROSCHKE[17]等分析了一座后张法空心板桥梁在超载下的受力特性。大件车荷载特性与超载车辆荷载特性具有明显的不同，所以其对桥梁的荷载效应也会有很大差别，而针对大件车与超重车辆对桥梁的荷载效应对比研究尚少。

基于以上研究，以长期的交通流监测数据与通行审批数据为基础,以有限元分析软件ANSYS对大件车与超载车下空心板桥梁的荷载效应进行分析。首先基于通行审批数据和WIM数据对大件车与超载车的特性进行对比分析,并提取出代表车型;其次,采用ANSYS对车辆荷载工况进行加载计算，得到车辆作用下空心板桥梁荷载效应;再次,通过将车辆荷载效应与设计汽车荷载效应对比,在结构响应的层面分析大件车、超载车荷载与设计汽车荷载效应差异;最后得出大件车与超载车这两类超限车辆对空心板桥梁的荷载效应差异。

1 两类超限车辆荷载特性对比与代表车型抽取

1.1 车辆荷载调查与数据来源

车辆荷载调查选择浙江省G104国道绍兴段某大桥，该大桥在桥头安装了车辆荷载动态称重 (Weigh in Motion,WIM)系统和交通信息采集系统，对运营期大桥的交通荷载信息进行采集，以及对超载车辆进行监控[18]。系统持续记录过往车辆的载荷数据，包括车辆到达时间、横向行驶位置、车辆质量、轴数、速度、 轴重和轴距。经过289 d的数据采集，收集到100 708 组卡车数据，从中选取549组超载车辆(包括四轴卡车、五轴半挂卡车、六轴半挂卡车)数据作为本文超载车辆分析对象。车辆荷载调查测点位置如图1所示。大件车通行需通过相关部门审批，总重、轴重、车长等车辆参数均有数据纪录，因此大件车数据取自当地超限车辆管理部门的通行审批数据库。

图1 车辆荷载调查测点位置

1.2 基于实测数据的车辆荷载特性对比

车辆荷载参数包括：车辆长度、车辆总重、轴重、轴距、高度、宽度、行驶位置、车速等。本文旨在分析车辆荷载效应，车辆长度决定荷载加载范围，直接影响到荷载效应的大小，总重与轴重决定了加载荷载的大小，其他参数对荷载效应影响较小，进而仅对比分析大件车与超载车的车辆长度、总重和轴重。

1.2.1车辆长度对比分析

车辆长度是指车辆所有轴距之和。大件车和超载车车长分布图如图 2所示。

由图 2可知，大件车车长主要分布范围为20～35 m，其中车长超过《大件车行驶公路管理办法》中规定的22 m长的大件车占比达到94.65%；超载车车长主要集中在9～11 m和14～20 m，其中9～11 m主要对应四轴卡车的长度，14～20 m主要对应五轴、六轴半挂卡车车型的长度。大件车整体车长要长于超载车，大件车车长最大达到了130 m，而特重车最大车长在20 m。由此可见，车辆长度是区别大件车与超载车的特性之一。

(a) 大件车车长分布

1.2.2车辆质量对比分析

正文对于桥梁结构来说，车辆质量是荷载水平大小的直观呈现，且大件车与超载车整体质量均特别大，相比于普通车辆对桥梁危害更大。大件车和超载车的质量分布如图 3所示。

(a) 大件车质量分布

对于大件车，其车质量分布具有明显的单峰分布特征，主峰点对应的车质量为55 t左右，而对于超载车，其车质量分布具有明显的双峰分布特征，2个主峰点对应的车质量分别为95 t和130 t。从车质量在100 t以上所占比例和均值来看，大件车100 t以上占比为1.14%，100 t以上均值为169.1t；超载车100 t以上占比为51.7%，100 t以上均值为118 t。从最大车质量来看，大件车为530 t，超载车为148 t，远小于大件车。

从以上对比来看，大件车车质量绝大部分在100 t以下，从侧面可以反映出，大件车运输货物可能主要以超宽、超长、超高货物为主，运载超重货物比例并不大，即几何超限是大件车的主要特征；超载车辆则不存在几何超限问题，均是载重超限。

1.2.3轴质量对比分析

轴质量是影响桥梁结构安全和耐久性最直接的因素，当车重大但是轴数较多时，每个轴的轴重并不是很大，对桥梁结结构造成的损害可能不是很大，但是当轴重很大时，由于其是与桥梁直接接触的部分，可能会对桥梁造成毁灭性的破坏，因此研究大件车和超载车轴重特性。大件车和超载车轴质量分布如图 4所示。

(a) 大件车轴质量分布

大件车和超载车的轴质量分布有一定的相似性，均服从双峰正态分布。对于第一个峰值点，其来源为牵引车的某一轴重。对大件车，其牵引车轴重服从均值为8.71，方差为0.994的正态分布；对特重车，其挂车型牵引车轴重服从均值为7.05，方差为0.522的正态分布。相比于超载车，大件车的牵引车轴重期望大，牵引车型也略多，这符合大件车会根据不同货物选择不同牵引车的实际。对于第二个峰值点，其来源为挂车的某一轴重。对大件车，其挂车轴重服从均值为16.14，方差为2.725的正态分布；对超载车，其挂车轴重服从均值为18.63，方差为4.042的正态分布。相比于大件车，超载车的挂车轴重均值更大、分布更广，最大可达到37 t，这也说明超载车的超载幅度相当大。

1.3 大件车与超载车辆代表车辆遴选

大件车数据来自审批数据库，为区别超载车辆，大件车遴选七轴及以上车型为主。遴选步骤如下：① 将大件车根据挂车的类型不同划分为鹅颈式挂车、凹梁式挂车、平板挂车和长货挂车4大类[19]。② 确定每种大件车类型的轴组特征。③ 根据轴组信息将每组大件车数据与相应类型匹配。④ 将最大车辆总重的车辆作为每种类型关键大件车。

从WIM系统中遴选出的549组超载车辆数据中包括四轴卡车、五轴半挂卡车、六轴半挂卡车。将这3种车型分类统计，每种车型的长度大抵相同，进而从这3种车型中分别选出总重最大的超载车辆作为这3种车型的代表车辆。

基于以上步骤，遴选出大件车5种代表车型，超载车3种代表车型。具体参数如表 1所示。

表1 大件车和超载车代表车型Table 1 Representative models of large and overloaded vehicles车辆类别车辆编号车辆参数信息大件车(单列平板式)CV-I大件车(双列鹅颈式)CV-Ⅱ大件车(凹梁式)CV-Ⅲ大件车(双列平板式)CV-Ⅳ大件车(双列长货车)CV-Ⅴ超载车(四轴卡车)T-Ⅰ超载车(五轴半挂卡车)T-Ⅱ超载车(六轴半挂卡车)T-Ⅲ注: 轴重单位为t,轴距单位为cm。

2 典型空心板桥梁与有限元模型

2.1 典型空心板桥梁选择

以《公路桥梁通用图》中左右幅分离的钢筋混凝土空心板桥(RC板桥)、 预应力混凝土空心板桥(PC板桥)为研究桥型，桥梁的设计交通荷载等级为公路-I级，路基宽度为24.5 m的整体式路基。其关键几何参数与力学参数见表 2。横断面示意图如图 5所示。

(a) RC板桥

2.2 有限元模型建立与修正

采用ANSYS有限元分析软件分别建立空心板桥的实体模型和梁格模型。建立实体模型时，将桥面铺装看作是主梁顶板的一部分使其成为一个整体，使用 Solid65单元模拟主梁、护栏，Link8单元模拟预应力钢筋，将铰缝连接处的节点进行平动耦合处理。建立梁格模型时，主梁和横梁的模拟选用Beam4单元，预应力钢筋模拟选用Link8单元，通过初应变法施加预应力，空心板间的铰缝通过耦合节点平动位移来模拟，支座则采用弹性支承模拟。

表2 中小跨径桥梁几何参数Table 2 Geometric parameters of medium and small span bridges截面形状空心板桥型梁数梁高/m面积/mIX/m4IY/m4IZ/m4RC6 m120.320.390.0150.0060.028RC8 m120.420.400.0240.0110.030RC10 m120.500.440.0310.0160.032PC10 m90.600.550.0610.0310.080PC13 m90.700.590.0870.0440.086PC16 m90.800.620.1090.0600.093PC20 m90.950.670.1440.0900.105

在进行桥梁响应分析时，通常需要建立一个能够准确模拟结构特性的有限元模型。梁格模型因为横向联系的缺陷，影响桥梁横向分布效果，同时影响静力加载的精确度。因此以实体模型为标准，使用参数型修正法对梁格模型修正完善，使得梁格模型在静力加载下的响应与实体模型响应之间的误差减小到一定值。选择主梁挠度作为构造修正目标函数的静力测试量，根据静力加载下实体模型的挠度Usi和梁格模型的挠度Uli可以构造如下的目标函数：

(1)

式中:fx是基于挠度的目标函数；n表示静力加载测点数目；yi为权重系数。将修正参数选为横梁的刚度系数与弹性模量，然后以桥梁静力目标函数为对象，最后使用有限元模型修正程序进行优化迭代计算，并在此过程中不断调整参数，直至得到与实体模型非常接近的梁格模型。图 6给出了PC10 m空心板桥的实体与梁格模型。

(a) 实体模型

将所有跨径的梁格法空心板桥梁模型按照上述方法进行修正。以PC10 m板桥为例，将修正的梁格模型和实体模型通过静力加载研究其准确性。设置工况为在5#梁跨中施加大小为100 kN，方向竖直向下的集中力，分别对比实体模型和梁格模型的每片梁的跨中位置处的弯矩和挠度。分析结果如图 7所示。

由图 7可知，修正后的梁格模型和实体模型在集中荷载作用下弯矩和挠度的误差均在6%以内，可以认为修正后的梁格模型能很好地反映空心板桥梁的性能。后续研究将采用修正的梁格有限元模型进行大件车和超载车过桥结构响应对比分析。

(a) 跨中弯矩

3 两类车辆荷载对空心板桥梁的荷载效应对比

3.1 车辆加载分析

高速公路中典型空心板桥梁一般划分3个车道：左侧超车道、中间行车道、右侧紧急车道。大件车过桥规定需按照桥梁中心线行驶，以20 m跨桥梁为例，大件车桥面信息如图 8所示，则大件车加载计算用自定义车辆模型按桥梁中线居中加载计算。超载车辆在实际行驶中一般按车道行驶，且长时间行驶于行车道，如图 9所示，考虑超载车辆实际行驶路线，对超载车辆加载计算按照行车道中线加载计算。

图8 桥面大件车行驶信

图9 桥面超载车行驶信息

3.2 大件车和超载车跟设计汽车荷载效应对比

计算后得：弯矩效应极值对比分析如图 10，剪力效应极值对比分析如图 11。

(a) 大件车与设计车弯矩荷载效应比值

(a) 大件车与设计车剪力荷载效应比值

从图11中可以发现：

a.对于5种大件车型与3种超载车型对典型空心板桥的响应，仅有在CV-Ⅰ大件车作用下，弯矩与剪力φ值均位于1.0以下，表明CV-Ⅰ型大件车的荷载效应小于设计汽车荷载效应。

b.除CV-Ⅰ车型外，其他车型的荷载效应均有不同程度超越设计汽车荷载效应，且超载车辆整体超越程度大于大件车，说明超载车辆对于典型空心板桥梁危害更大。

c.在大件车荷载中CV-Ⅱ车型的荷载效应超越设计汽车荷载效应程度最大，弯矩最大是设计汽车荷载效应的1.4倍，剪力最大是设计汽车荷载效应的1.7倍。超载车辆荷载中六轴超载车的弯矩达到设计汽车弯矩的1.8倍，五轴超载车的剪力达到设计汽车剪力的1.8倍。

d.对比大件车与超载车荷载效应发现，超载车对RC桥梁的荷载效应整体程度上高于大件车对RC桥梁的荷载效应，主要是由于在短跨径内超载车辆轴重集度高于大件车。

e.CV-Ⅳ和CV-V大件车荷载对典型空心板桥作用φ下极值大致相等，是由于CV-Ⅳ和CV-V大件车在空心板桥最不利荷载加载时，作用在桥面的车轴数和轴荷相同。

4 结语

a.大件车与超载车荷载特性差异主要体现在车长与轴重上。大件车车长普遍长于超载车，而超载车单个轴重高于大件车单个轴重。

b.除CV-Ⅰ车型外，其余4种大件车与3种超载车对典型空心板桥梁的荷载效应均超过设计汽车荷载效应。

c.10 m及以下的典型RC空心板桥梁荷载效应由五轴和六轴超载车控制，当跨径超过10 m时荷载效应由CV-Ⅱ型大件车控制，超载车辆对空心板桥梁荷载效应整体大于大件车对空心板桥梁荷载效应。

d.典型空心板桥梁跨径在20 m及以下，其荷载效应由实际作用于桥上的轴数和轴重决定。相比于车辆总重，车辆轴重对空心板桥梁响应的影响更大，对于空心板桥梁，更应该限制通行车辆的轴重。

e.得知大件车与超载车这两种超限车辆对空心板桥梁不利，如何把控超限车辆的出现频次和减小其对桥梁的危害仍需进一步研究。