大件运输车辆通行高速公路装配式连续梁桥影响参数分析

吴 焱

（山西省交通运输安全应急保障技术中心（有限公司），山西太原 030006）

1 概述

大件运输具有一定的强制性，而且随着经济发展的需要，运输吨位有不断增加的趋势[1]。仅2020年全年，课题组共完成173 辆大于等于180 t 大件运输车辆的高速公路通行计算。安全、快速、专业、规范地完成大件运输车辆通行桥梁的安全评估工作，能够显著节约人力物力成本，增加社会效益。因此针对大件运输车辆的可变参数研究能够帮助验算人员快速选择大件运输车辆形式，提升安全评估效率，而目前大件运输的研究主要集中在快速评估方法及路线选择上，其车辆的（图1）可变参数对桥梁结构影响存在空白区。

图1 大件运输车辆图

2 参数分析

2.1 研究参数选择

大件车辆形式多样，主要形式有平板挂车、长货挂车、桥式挂车、凹式挂车、自行式挂车[2]。本文以常见的平板挂车为研究，分析大件车辆的参数对结构内力的影响，平板挂车模型图见图2。

图2 平板挂车模型图（单位：mm）

根据经验，平板挂车能够对桥梁产生不同效应的可变参数包括车货总重、轴数、轴距、轴重等[3]。车货总重主要由货物重量及车型决定，并且通过轴数和轴重体现，而轴距、轴重和轴数能够代表作用在桥梁上荷载的大小及位置分布，更能直观和简单地将大件运输车辆简化为荷载施加在桥梁上，因此，本文重点研究大件运输车辆轴距、轴重和轴数对桥梁结构的影响。

2.2 研究桥型选择

山西省已通车的高速路段以预应力混凝土预制装配式连续箱梁桥（以下简称装配式桥）最为普遍，且单孔跨径以标准跨径为主，即单孔20 m、25 m、30 m 和35 m。本文选择标准跨径的装配式桥为研究对象，分析大件运输车辆可变参数对不同跨径装配式桥的影响。所选4种桥型的典型横断面图如图3所示，截面信息如表1所示。

表1 截面信息表

图3 装配式桥典型横断面（单位：mm）

2.3 有限元模型建立

本文采用Midas Civil 作为分析软件，采用梁格法建模，分别建立单跨20 m、25 m、30 m 和35 m 的三跨连续梁桥有限元模型，不同跨径预制装配式连续梁桥模型离散节点数和单元数如表2所示，结构有限元模型如图4。

表2 有限元模型信息表

图4 结构有限元模型图

由于各高速路段建成时间不一，因此在设计时所依据的设计标准不同，根据设计规范，设计荷载等级包含汽车-超20 级、挂车-120 和公路-Ⅰ级[4]（04 规范），其中设计荷载等级为公路-Ⅰ级（04 规范）桥梁居多。大件运输通行桥梁评估方法多样，常用的方法有等代荷载判别法、荷载试验判别法和实际荷载简算法等。为快速评估大件运输车辆的可通行性，采用等代荷载判别法，即直接将大件运输车辆产生的效应与设计荷载效应作对比。因此本文主要分析大件运输车辆对结构最大正弯矩、最小负弯矩、最大剪力（以下简称正弯、负弯、剪力）的影响。

2.4 参数变量值选择

本文采用单一变量法分析不同大件运输车辆可变参数对结构的影响，根据课题组已有的大件运输验算经验，对各参数选择通行频率高的变量值进行研究，分析过程中，选定其中一项变量分别代入变量值①～⑦，其他两项变量则选择变量值④项作为定量进行加载分析，具体的参数值选择如表3所示。

表3 参数变量值表

根据表4 中变量值①计算结果与公路-Ⅰ级（04 规范）设计计算值进行对比，可知变量①参数下的大件运输车辆基本能够满足不同跨径装配式桥通行要求。

表4 变量值①计算结果/设计计算值比值表

对于同一荷载效应，不同跨径桥梁的计算结果差异较大；对于同一跨径，不同荷载效应的计算结果也存在较大差异，为有效对比大件运输车辆参数对不同跨径装配式桥荷载效应及其对相同跨径下不同荷载效应的影响，采用归一法进行分析，即假定各参数变量值①计算结果为1，分别计算变量值②～⑦实际计算结果相对于变量值①实际计算结果的比值。

2.5 不同跨径受影响分析

轴距的变化仅体现大件运输车辆荷载布置形式的变化，大件车辆总重未发生变化；轴重的变化体现大件运输车辆总重的变化，大件车辆荷载布置形式未发生变化；轴数的变化体现了大件车辆荷载布置形式及总重的变化。本文首先对各影响参数下，相同荷载效应在不同跨径装配式桥受参数影响进行研究，具体结果如下。

2.5.1 轴距影响分析

根据图5—图7 分析结果，在该文选定的轴数13、轴重10 t，轴距变化1.1～1.6 m 加载工况下，从整体趋势分析，20～35 m 装配式桥荷载效应随轴距增大呈减小趋势，且不同跨径装配式桥荷载效应变化幅度差异较明显。对于最大正弯及最大剪力效应，20～35 m 装配式桥减小幅度依次变小；对于最小负弯矩效应，则20 m装配式桥减小幅度最大，其次为30 m 桥，然后是35 m桥，25 m 装配式箱梁桥减小幅度最小。

图5 正弯比值-轴距图

图6 负弯比值-轴距图

图7 剪力比值-轴距图

2.5.2 轴重影响分析

对于轴重变化对结构荷载效应的影响，由于大件运输车辆牵引车头重量占大件车辆总重的比值较小，最大为18.8%，因此随轴载的增大近似于有限元模型的线性加载，从荷载效应-轴重表（表5）也可得出，结构荷载效应基本随轴重线性变化，且不同跨径装配式桥荷载效应随轴重变化的幅度相近。

表5 不同跨径荷载效应-轴重表

2.5.3 轴数影响分析

根据图8—图10 分析结果，可得出如下结论：

图8 正弯比值-轴数图

图9 负弯比值-轴数图

图10 剪力比值-轴数图

a）在本文选定的轴距1.4 m、轴重10 t，轴数变化7～13 轴加载工况下，结构荷载效应随轴数增加而增大，且不同跨径装配式桥荷载效应变化幅度差异明显，不同荷载效应随轴数增大幅度均有逐渐减小趋势。

b）对于正弯效应，轴数从7 轴增加到13 轴，不同跨度最大正弯矩效应变化幅度排序始终为：35 m＞30 m＞25 m＞20 m。

c）对于最小负弯效应，不同跨径最小负弯效应随轴数变化幅度排序在变化，具体为：8 轴时，20 m＞25 m＞30 m＞35 m；9 轴和10 轴时，25 m＞20 m＞35 m＞30 m；11 轴时，25 m＞35 m＞20 m＞30 m；12 轴和13 轴时，25 m＞35 m＞30 m＞20 m。

d）对于最大剪力效应，不同跨径剪力效应随轴数变化幅度排序在变化，具体为：8～12 轴时，30 m＞35 m＞25 m＞20 m；13轴时，35 m＞30 m＞25 m＞20 m。

2.6 不同荷载效应受影响分析

本文对不同荷载效应下，同一跨径装配式桥不同荷载效应受参数影响进行分析，具体分析结果如下所示。

2.6.1 轴距影响分析

根据图11—图14 显示，大件运输车辆轴距变化对不同跨径装配式桥的负弯影响最小，且负弯随轴距变化幅度远小于正弯和剪力变化幅度，表明随轴距增大，实际负弯计算值相对处于高位。对于20 m、25 m 和30 m装配式桥，正弯受轴距变化影响最大，剪力次之；对于35 m装配式桥，剪力受轴距变化影响最大，正弯次之。

图11 20 m内力比值-轴距图

图12 25 m内力比值-轴距图

图14 35 m内力比值-轴距图

2.6.2 轴重影响分析

从表6 同一跨径不同荷载效应-轴重分析结果能看出：不同跨径的装配式桥随轴重增大基本保持线性增大，不同荷载效应随轴重变化幅度相近，负弯受轴重变化影响略小于正弯和剪力。

表6 相同跨径不同荷载效应-轴重表

2.6.3 轴数影响分析

根据图15—图18所示，大件运输车辆轴数变化对同一跨径装配式桥的负弯影响最大，且负弯随轴距变化幅度远大于正弯和剪力变化幅度，同时相同跨径的正弯和剪力变化幅度基本接近。大件运输车辆轴数从7 轴增加到13 轴，20 m 和25 m 装配式桥的荷载效应增大幅度逐渐变缓；30 m 和35 m 装配式桥的正弯和剪力荷载效应增大幅度逐渐变缓，负弯效应基本呈线性变化。

图15 20 m内力比值-轴数图

图16 25 m内力比值-轴数图

图17 30 m内力比值-轴数图

3 结论

a）装配式桥结构荷载效应随轴重变化基本呈线性变化，随轴距或轴数变化基本呈非线性变化；荷载效应随轴距增大逐渐减小，随轴重或轴数增加逐渐增大。

b）通过对不同跨径下同一荷载效应分析，大件运输参数变化对不同跨径的装配式桥影响未见明显规律，但20 m 装配式桥受影响程度相对最小。

c）通过对相同跨径下不同荷载效应分析，随大件运输车辆轴距增大，负弯减小幅度最小，随轴重增加，负弯增大幅度与正弯、剪力相近；而随轴数增加，负弯增大幅度较正弯、剪力明显。因此，负弯最可能是大件运输车辆安全通行的控制参数。