大件车载下空心板桥受力性能分析与快速评估

刘 韬，陈鹏涛，上官煜

(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，陕西 西安 710064)

0 引言

大件运输车辆是指载运大体积、不可解体物品的特殊车辆，通常具有超长、超宽、超高或超重的特点，包括几何尺寸超限和车质量超限2种类型[1]。随着我国经济发展，大件运输车辆通行频次显著提升，对大件运输车辆通行审批时效性提出了更高的要求。空心板桥梁在我国交通路网中占比较高，且其铰缝在运营其内易出现不同程度的损伤，考虑该类桥梁的铰缝损伤，分析其在大件运输车载下的受力性能，并建立快速评估方法，对提升大件运输车辆通行审批效率意义显著。

目前，已有不少学者对大件运输车辆过桥开展了相关研究。孙玉[2]、周广利[3]、邵永军[4]、郭瑾[5]等对大件运输中桥梁通行能力进行了分析；李浩恒[6]、丁晓婷[7]、赵建峰[8]等对大件运输沿线桥梁承载能力的评估方法进行了相关研究；袁阳光[9]、贾旭东[10]等基于安全性与正常使用性能对大件车辆过桥进行了研究并提出相应的评估方法；陈海威[11]、崔鑫[12]等对大件运输条件下的空心板桥承载力的评定进行了研究。尽管国内学者对于大件运输车辆过桥评估方法进行了深入研究，但很少有学者从线路级桥梁结构出发，提出关于线路级大件运输车辆快速评估方法。

鉴于以上现状，首先针对国内多条高速公路的空心板桥梁信息，对其结构组成进行分析；其次，基于多省的大件运输车辆通行信息，提取出2种大件运输车辆加载模型；最后，采用2种大件运输车辆加载模型分析空心板桥梁各参数对荷载效应产生的影响，据此建立在大件运输车辆通行过程中的线路级空心板桥梁遴选准则。

1 公路空心板桥梁组成统计分析

对我国3个省份10条高速公路的2 148座桥梁构造物信息开展统计分析，发现其中空心板桥梁有1 065座，占比49.6%(见图1)，预应力空心板桥梁共783座，在空心板桥梁中占比73.52%；钢筋混凝土空心板桥梁共275座，在空心板桥梁中占比25.82%。进一步对预应力空心板桥梁的构造信息进行统计发现其跨径主要为13、16和20 m，分别占比22.7%、37.7%、29.0%(见图2)。钢筋混凝土空心板桥梁的跨径主要为5、8、10和13m，分别占比23.6%、30.9%、24.0%、10.9%(见图3)。在结构体系方面，大多数空心板桥梁为桥面连续的简支结构。

图1 不同桥型占比

图2 预应力空心板桥梁中不同跨径占比

图3 钢筋混凝土空心板桥梁中不同跨径占比

2 基于大件运输车辆数据的空心板桥梁加载模型

根据我国3个省份在大件运输车辆通行审批工作中记录的车辆数据，提取适用于空心板桥梁的加载模型。大件运输车辆对空心板桥梁的加载具有典型的“车长桥短”特征，通过对比所记录大件运输车辆轴载间距与空心板桥梁的跨径，发现多数情况下大件运输车辆通行过程中，轴载均能沿纵向布满空心板桥梁。故将满布加载作为大件运输车辆对空心板桥梁的典型加载形式，进一步结合实际大件运输车辆的轴型，提取出2种典型加载模型，如图4所示。

(a) 加载模型1

3 典型空心板桥梁与有限元模型建立

3.1 典型空心板桥梁遴选

根据第2节的统计分析成果，遴选用于受力性能分析的典型空心板桥梁，以简支钢筋混凝土空心板桥梁(RCS)和预应力混凝土空心板桥梁(PCS)为研究对象，所选8座桥梁具体信息见表1,桥梁横断面图见图5。

表1 典型桥梁信息Table 1 Typical bridge information截面形状桥梁ID跨径/m桥宽/m梁宽/m梁高/m技术状况等级RCS5512.831.240.451RCS6612.831.240.452RCS8812.831.240.452RCS101012.831.240.451PCS101012.831.240.61PCS131312.831.240.62PCS161612.831.240.61PCS202012.831.240.61

(a) 钢筋混凝土空心板

3.2 空心板桥梁有限元模型

运用Midas Civil有限元分析软件，采用单梁法并引入横向分布系数概念建立空心板梁桥的模型，并且在建模时相应的桥梁均输入了普通钢筋和预应力钢束。对于装配式简支梁(板)桥设计计算，横向分布系数的引入将空间受力问题简化为单梁(板)的计算问题，构件的承载能力验算通常控制单梁的荷载效应或结构抗力[13-14]。

4 空心板桥梁铰缝损伤考虑方法与横向分布系数

对于所选择的典型空心板桥梁，首先根据设计信息，采用杠杆法与铰接板梁法计算横向分布系数，见表2。进一步引入铰缝损伤系数，考虑不同的铰缝损伤程度，铰缝损伤后的横向分布系数计算方法为：设计横向分布系数×(1+铰缝损伤系数)[15-16]。

表2 典型空心板桥梁横向分布系数Table 2 Transverse distribution coefficient of typical hol-low slab bridge桥梁ID加载模型加载模型1加载模型2RCS50.2380.222RCS60.2120.200RCS80.1760.169RCS100.1550.150PCS100.1550.150PCS130.1350.132PCS160.1240.122PCS200.1150.114

5 大件运输车载下考虑铰缝损伤等级的空心板梁桥受力性能分析

5.1 车辆的加载工况

根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》的规定大件运输车辆必须居中行驶，因此对于Midas Civil有限元分析软件其车道荷载的布置为了与大件运输车辆实际作用形式相符合，在上述空心板梁桥模型中大件运输车辆均按居中形式加载且设为单车道同时不计入冲击系数，对于设计汽车荷载等级考虑为公路-Ⅰ级按单车道居中形式布置并计入冲击系数。

5.2 空心板桥梁受力性能分析

按照实际空心板桥梁布置图建立主梁间距1.25 m、主梁片数10片、单跨跨径为5、6、8、10 m的钢筋混凝土空心板梁桥(RCS)和单跨跨径为10、13、16、20 m的预应力混凝土空心板梁桥(PCS)，根据Midas Civil有限元模型，对比相应加载模型与设计车辆作用下的荷载效应比值，分析结果见图6。

(a) 加载模型1(RCS)

根据图6分析结果，可得到如下结论：

a.加载模型1和加载模型2对钢筋混凝土空心板桥梁(RCS)的荷载效应随跨径增加均呈增大趋势，且跨径小于10 m时均由剪力控制空心板桥梁受力性能，当跨径达到10 m后空心板桥梁的受力性能变为由正弯矩控制，故仅需对最大跨径的钢筋混凝土简支空心板进行大件运输车辆通行可行性评估。

b.加载模型1和加载模型2对预应力混凝土空心板桥梁(PCS)的荷载效应随跨径增加呈增大趋势，且空心板桥梁的受力性能均由正弯矩控制，随着跨径的增大，正弯矩与剪力的差值逐渐变大，故仅需对最大跨径的预应力混凝土简支空心板进行大件运输车辆通行可行性评估。

c.随着轴重的增加，加载模型对空心板桥梁的荷载效应相应增大，故在评估多种大件运输车辆通行可行性时仅需对轴重最大者进行评估即可。

根据图7对不同跨径空心板桥梁在不同加载模型下的荷载效应比值分析结果，钢筋混凝土空心板桥梁和预应力混凝土空心板桥梁随着跨径增加对大件运输车辆荷载的改变也更敏感。

(a) RCS

5.3 考虑铰缝损伤的空心板桥梁受力性能

根据表2中空心板间铰缝损伤程度不同导致横向分布系数的变化，并通过有限元分析得到铰缝损伤对空心板桥梁受力性能的影响结果如图8所示。

(a) 加载模型1

根据图8分析结果，可得到如下结论：

a.在考虑空心板桥梁间的铰缝损伤后，随着铰缝间损伤程度的增加加载模型1和加载模型2对空心板桥梁的荷载效应比值均呈线性增长，且无论铰缝损伤程度如何,大件运输车辆对于钢筋混凝土空心板桥梁和预应力混凝土空心板桥梁的荷载效应比值分别其对应的最大跨径处取最大值，故仅需对铰缝损伤程度最高的最大跨径空心板进行大件运输车辆通行评估即可。

b.对于混凝土空心板桥梁，随铰缝损伤程度的增加加载模型1和加载模型2对空心板桥梁的正弯矩效应逐渐超过其剪力效应，故对钢筋混凝土空心板桥梁进行大件运输车辆通行可行性评估时，应更关注其铰缝损伤对空心板桥梁的受力影响。

6 大件运输车载下线路级空心板桥梁快速评估方法

6.1 关键空心板桥梁遴选准则

为实现线路级大件运输车辆通行可行性快速评估，基于第5节的分析结果建立大件运输车辆通行评估的控制性空心板桥梁的遴选准则，见图9。首先分析待通行大件运输车辆的荷载特性，选择与大件运输车辆最为接近的加载模型，进而开展控制性空心板桥梁遴选；其次在进行控制性空心板桥梁遴选时，分为钢筋混凝土简支空心板(RCS)和预应力混凝土简支空心板(PCS)，确定待评估大件运输车辆的控制性桥梁的跨径；最后，进一步选择铰缝损伤系数较大的桥梁作为控制性桥梁。

图9 大件运输车载下线路级空心板桥梁遴选体系

6.2 荷载效应评估

针对遴选出的控制性空心板桥梁，还需对其进行荷载效应评估才可明确大件运输车辆的通行性，荷载效应评估应控制大件运输车辆产生的荷载效应不超过规定限值，根据相关文献[6]提出的荷载效应评估公式，并对其参数进行相应修改得到式(1)荷载效应评估公式：

(1)

式中：γd为大件运输车辆荷载分项系数；mcd为大件车辆横向分布系数；SQd为大件运输车辆荷载效应；γq为设计汽车荷载分项系数；mc为设计汽车横向分布系数；SQ为设计汽车荷载效应；μ为设计汽车冲击系数；φd为桥梁承载能力折减系数。

6.3 案例分析

以某省高速公路(总桥梁699座，其中空心板桥梁323座，占比46%)为研究对象，展开工程实用性分析，检验快速评估方法的可行性。其中桥梁信息见表3。

表3 桥梁信息Table 3 Bridge information跨径组合材料类型数量/座10钢筋混凝土52预应力混凝土213预应力混凝土4616预应力混凝土11920预应力混凝土9622.5预应力混凝土8

根据遴选准则筛选出2座控制性空心板桥梁，分别为10 m跨径的钢筋混凝土空心板和22.5 m的预应力混凝土空心板桥梁。根据相关有限元分析结果和式(1)可得在加载模型2作用下的荷载效应与设计车辆的荷载效应比值见图10。

图10 大件运输车辆荷载效应计算结果

对于在加载模型2的作用下PCS10和RCS22.5其荷载效应比值均低于1.386，因此判定加载模型2具有通行权可通过该线路所有桥梁。

7 结论

根据3省大件运输车辆审批数据和10条高速公路桥梁信息，分析典型加载模型和遴选控制性桥梁，分析各加载模型对空心板桥梁的响应规律，建立了线路级大件运输车载作用下空心板桥梁的快速遴选准则和评估方法，主要的到以下结论：

a.对于简支空心板桥梁，加载模型1与加载模型2对其产生的荷载效应变化趋势相同，仅因为轴重不同而产生不同数值，因此出于安全考虑仅采用轴重较重的加载模型2对其进行评估即可。

b.对于空心板桥梁，当其为钢筋混凝土结构时空心板的受力性能随跨径增加逐渐由剪力控制转变为由正弯矩控制，而对于预应力混凝土结构其受力性能始终由弯矩控制并且随跨径增大正弯矩与剪力的差值也越大。

c.对于空心板间的铰缝损伤程度会影响其荷载效应比值，并且随着损伤程度的增加对桥梁受力也更不利，同时钢筋混凝土空心板桥梁的受力性能也逐渐由正弯矩控制。

d.通过相关研究，提出了大件运输车载下空心板桥梁的快速评估方法并应用于工程实例，通过遴选控制桥梁对线路级的空心板桥梁进行评估，大幅提高了评估效率，为大件运输车辆的通行提供了可靠的依据，但并未考虑空心板桥梁正常使用阶段的性能，未来可进一步对结构的承载能力进行验算。