拼接加寬梁橋大件車輛通行安全評(píng)估及監(jiān)測(cè)研究

任曉輝 趙艷艷 杜 勇

(陜西高速公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，陜西 西安 710086)

近年來，隨著工業(yè)建設(shè)進(jìn)程的加快及裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，眾多特大、特重型的不可拆解設(shè)備需要通過公路運(yùn)輸至各地，這為交通運(yùn)輸業(yè)出了道難題，同時(shí)也帶來了廣大機(jī)遇。公路大件運(yùn)輸難以避免，只有選擇合理的裝載方式、合理的通行線路，依據(jù)橋梁承載能力安全評(píng)估結(jié)果確定合理的過橋方案后，方能按照通行方案組織通行，同時(shí)還需做好通行過程中的各項(xiàng)安全措施，確保大件運(yùn)輸及公路橋梁的安全［1］。

1 車輛及橋梁概況

本文以大件車輛通行某高速公路改擴(kuò)建拼接裝配式梁橋?yàn)槔M(jìn)行研究。該大件車輛裝載貨物為大型變壓器，總重460 t，車輛幾何尺寸為98.0 m×6.8 m×4.8 m(長(zhǎng)×寬×高)，裝載方式采用12 +13 軸線液壓板車通過橋式框架連接，前后液壓板車的凈距為35 m，板車軸載15.8 t，由于設(shè)備較重，在車頭處設(shè)置牽引車，車尾設(shè)置頂推車，確保車輛平穩(wěn)運(yùn)行。

該大件車輛通行線路包含一段高速公路四車道改八車道擴(kuò)建路段，此路段橋梁加寬方案為舊橋全部利用，在原有4 片小箱梁的基礎(chǔ)上在外側(cè)增加3 片小箱梁，擴(kuò)建至7 片，以適應(yīng)日益增長(zhǎng)的交通量需求。由于設(shè)計(jì)荷載不同，新建小箱梁與原有箱梁截面尺寸略有不同。以20 m 裝配式梁橋?yàn)槔?，原有舊橋上部結(jié)構(gòu)為橫向4 片梁高1.0 m 小箱梁，拼接3 片梁高1.2 m 小箱梁，新舊箱梁通過翼板處植筋剛性連接，新舊小箱梁橫截面尺寸見圖1。

圖1 改擴(kuò)建拼接裝配式梁橋新舊小箱梁橫截面主要尺寸示意圖（單位：m）

對(duì)于此類采用新舊主梁拼接的裝配式梁橋，大件車輛通行橋梁安全評(píng)估需要關(guān)注的主要問題有:1)主梁的承載力是否滿足大件車輛通行要求;2)橋面板局部受力是否滿足大件車輛通行要求;3)以何種方案(全橋居中通行、沿3 片新梁居中通行、沿新舊箱梁拼接處通行)通行橋梁更優(yōu)［2］。

2 大件車輛通行橋梁安全評(píng)估

2.1 橋梁承載能力評(píng)估

1)橋梁承載能力評(píng)估方法。橋梁承載能力評(píng)估方法較多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此做過很多研究［1］，主要包括基于實(shí)橋調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)方法、荷載試驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)理論法、實(shí)際荷載檢算法和等代荷載判別法、非線性理論法等，其中實(shí)際荷載檢算法和等代荷載判別法由于其快速、簡(jiǎn)便的特性，在大件運(yùn)輸中應(yīng)用最為廣泛［3］。a.等代荷載判別法。等代荷載判別法就是在同一跨徑(或荷載長(zhǎng)度)用同一種影響線分別計(jì)算出大件車輛和標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載的等代荷載，將兩者進(jìn)行比較，以判別大件車輛能否安全通過橋梁或橋梁是否需進(jìn)行加固。在大件運(yùn)輸要求時(shí)間緊、計(jì)算量大的情況下，可采用此法進(jìn)行粗略判斷［3］。b.實(shí)際荷載檢算法。實(shí)際荷載檢算法又稱內(nèi)力效應(yīng)比較分析法，即分別計(jì)算出大件運(yùn)輸車輛過橋時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力效應(yīng)和原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載力，通過比較兩者的大小來判斷能否通過。根據(jù)超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定，大件車輛在橋上不得制動(dòng)、停留或啟動(dòng)，應(yīng)以不超過5 km 的速度勻速居中緩慢通過橋梁，因此計(jì)算大件車輛荷載效應(yīng)時(shí)可不計(jì)沖擊系數(shù)［3］。由于大件車輛與設(shè)計(jì)荷載出現(xiàn)的概率不同，應(yīng)采用不同的荷載效應(yīng)系數(shù)，并且在考慮了各自荷載效應(yīng)系數(shù)后再進(jìn)行荷載效應(yīng)的比較［4］。

2)主梁承載能力評(píng)估結(jié)果。以改擴(kuò)建拼接加寬20 m 裝配式梁橋?yàn)槔?，橋梁總?1.0 m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)公路—Ⅰ級(jí)，主梁采用C50 混凝土，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查及技術(shù)狀況評(píng)定，該橋未發(fā)現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)安全的病害，橋梁技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為1 類［5］。考慮橫向分布，按照荷載效應(yīng)比較法對(duì)設(shè)計(jì)荷載及大件車輛分別作用下小箱梁的跨中彎矩、墩頂負(fù)彎矩及支點(diǎn)剪力效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。

表1 20 m 小箱梁荷載效應(yīng)對(duì)比表

由表1 可知大件車輛對(duì)20 m 小箱梁所產(chǎn)生的最不利荷載效應(yīng)均小于設(shè)計(jì)荷載所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，表明小箱梁的承載能力可以滿足大件車輛的通行要求。

2.2 橋面板局部驗(yàn)算

為了防止大件車輛軸載過大而造成橋面板局部損傷，應(yīng)對(duì)橋面板進(jìn)行局部承載力驗(yàn)算。驗(yàn)算依據(jù)JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范和JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。橋面板局部驗(yàn)算設(shè)計(jì)荷載采用55 t 車輛荷載，標(biāo)準(zhǔn)車輛參數(shù)見圖2。標(biāo)準(zhǔn)車輛前輪著地寬度及長(zhǎng)度為0.3 m×0.2 m，中、后輪著地寬度及長(zhǎng)度為0.6 m×0.2 m。

大件車輛液壓板車采用一線雙軸八輪組，橫向軸距軸載布置圖見圖3，根據(jù)該車軸載分布情況，其中平板車每軸總軸載為158 kN，每輪組荷載P=39.5 kN。板車每輪組著地寬度及長(zhǎng)度為0.456 m×0.2 m。計(jì)算得到各參數(shù)見表2。按照荷載效應(yīng)比較法對(duì)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)車輛及大件車輛分別作用下橋面板各控制截面荷載效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表3。

圖2 車輛荷載的立面、平面參數(shù)

圖3 大件車輛液壓板車橫向軸距、軸載參數(shù)（單位：mm）

表2 橋面板局部驗(yàn)算參數(shù)表

表3 橋面板局部驗(yàn)算結(jié)果及結(jié)論

從表3 可以看出，大件車輛通行橋梁橋面板各控制截面內(nèi)力效應(yīng)均小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)車輛產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，可以安全通行。

2.3 新舊拼接橋梁通行方案

對(duì)于改擴(kuò)建拼接裝配式梁橋大件車輛通行方案問題，有三種可供選擇的方案，各有利弊，見圖4。方案一沿全橋中心線行駛，荷載分布較為均勻，但對(duì)于新舊梁拼接部位剪力效應(yīng)較大;方案二沿拼接后3 片新梁中心線行駛，考慮到新梁較舊梁承載力有所提升，單片箱梁受力更為有利，但橫向分布較為不利;方案三沿新舊箱梁拼接處中心線行駛，橫向分布介于方案一、二之間，拼接部位剪力效應(yīng)相對(duì)較小。通過對(duì)三種方案下橫向分布系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，方案二較方案一最不利主梁橫向分布系數(shù)大5%左右，方案三較方案一最不利主梁橫向分布系數(shù)大0.5%左右，拼接部位剪力效應(yīng)顯著降低。考慮到改擴(kuò)建施工中箱梁翼板植筋拼接及新舊梁體混凝土粘結(jié)效果存在不確定風(fēng)險(xiǎn)的因素，在保證每片箱梁均不超過設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的前提下，綜合考慮，選擇拼接部位剪力效應(yīng)較小的方案三通行方式更為合理。

圖4 改擴(kuò)建拼接裝配式梁橋大件車輛通行方案示意圖

3 大件車輛通行橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

1)監(jiān)測(cè)方案及實(shí)施。為了了解大件車輛通行時(shí)橋梁的實(shí)際響應(yīng)狀況，評(píng)價(jià)評(píng)估結(jié)果及通行方案是否合理，選擇四改八改擴(kuò)建路段拼接裝配式梁橋進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)位置為邊孔跨中截面，撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案見圖5，共設(shè)置5 個(gè)動(dòng)撓度測(cè)點(diǎn)、3 個(gè)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，采用DH-5922 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 大件車輛通行橋梁監(jiān)測(cè)應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

2)理論計(jì)算結(jié)果。采用通用有限元軟件ANSYS 對(duì)該橋建立實(shí)體模型，通過加載運(yùn)算，得到大件車輛第二列板車滿布于測(cè)試橋跨時(shí)(見圖6)，測(cè)試孔跨中撓度達(dá)到最大值，位移云圖見圖7。

圖6 大件車輛最不利加載位置

圖7 大件車輛在最不利位置加載時(shí)的位移云圖

3)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。監(jiān)測(cè)得到各測(cè)點(diǎn)在大件車輛通過時(shí)的撓度和應(yīng)變變化曲線，圖8，圖9 分別為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1，2 的應(yīng)變時(shí)程曲線和撓度測(cè)點(diǎn)13，14 的撓度時(shí)程曲線。

圖8 撓度監(jiān)測(cè)曲線

圖9 應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線

各撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)理論計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比見表4。

經(jīng)過對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，撓度、應(yīng)變實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，校驗(yàn)系數(shù)介于0.83～0.94，未見明顯殘余變形，通行完畢后通過對(duì)橋梁進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)缺損病害。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，新舊箱梁拼接協(xié)同受力良好，通行評(píng)估結(jié)論準(zhǔn)確，方案可行。

表4 撓度、應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)語

本文針對(duì)對(duì)改擴(kuò)建拼接加寬裝配式梁橋大件車輛通行安全評(píng)估問題，從主梁承載力評(píng)估、橋面板局部驗(yàn)算及大件車輛通行方案等方面對(duì)大件車輛能否安全通行橋梁進(jìn)行了評(píng)估，并給出了較為合理的通行方案，大件車輛通行時(shí)對(duì)橋梁實(shí)施了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，新舊箱梁拼接協(xié)同受力良好，通行評(píng)估結(jié)論準(zhǔn)確，方案可行，為后續(xù)大件車輛通行橋梁安全評(píng)估提供有效參考。

［1］楊 濤.公路大件運(yùn)輸安全技術(shù)評(píng)價(jià)制度研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

［2］張輝輝.公路橋梁大件運(yùn)輸關(guān)鍵問題研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2011.

［3］任曉輝，張 宏.公路大件運(yùn)輸中橋梁通行安全性評(píng)估及臨時(shí)加固［A］.全國(guó)既有橋梁加固、改造與評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)會(huì)議［C］.2008.

［4］于傳君.公路大件運(yùn)輸橋梁安全評(píng)估及臨時(shí)加固設(shè)計(jì)［J］.北方交通，2009(9):54-56.

［5］喬仲發(fā).大件運(yùn)輸全周期橋梁檢測(cè)評(píng)估研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.