钢筋混凝土空心板桥限载标准分析

赵士斌，李松辉

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

0 引言

随着我国汽车运输业与社会经济的不断发展，大型单体式载重汽车、半挂汽车列车、全挂汽车列车等车辆类型的使用日益增多，并向重型化发展。由于超重车辆荷载远高于桥梁的设计荷载，不但严重影响桥梁结构的耐久性能，增加桥梁养护维修费用，也对桥梁正常运营构成重大安全隐患，是导致我国桥梁损毁事件呈逐年上升趋势的主要原因，给社会造成重大人员伤亡和财产损失。

然而，因受《公路工程技术标准》(JTJ001 —97)(以下简称原技术标准)［1］车队荷载的影响，业内往往认为设计采用的车辆荷载即为桥梁实际允许通行的最大车辆荷载。由于认识水平的不同，即使按照同一汽车荷载等级设计的桥梁，其采用的限载标准也不一致。以汽车—20 级的公路桥梁为例，不同地区的限载标志既有20 t 也有30 t，给桥梁安全运营监管带来很大难度，也影响了公路货运业的健康发展。因此，系统开展公路桥梁限载标准研究已刻不容缓。

针对桥梁限载问题，国内学者做了一定研究。例如，宗雪梅、胡大琳等［2］以典型运煤超重车辆调查数据为依据，根据车辆装载特点与轴载统计结果，将超重车辆分为9 种类型，利用等代荷载法，分析了基于公路—Ⅰ级荷载标准的限载系数，提出了各类运煤辆车的限载标准。张俊平、刘爱荣、吴刚等［3，4］以混凝土梁式桥裂缝宽度作为广义抗力，将随机车辆荷载和钢筋锈蚀量作为随机变量，建立使用可靠度模型，提出亚健康梁式桥的限载方法。

为建立具有普遍适用性的公路桥梁限载标准，作者针对钢筋混凝土中、小跨径简支梁桥，提出一种桥梁限载取值简化分析模型［5］。该模型以设计活恒载比值为基本参数，可反算不同抗力水平和不同设计汽车荷载等级桥梁的限载系数，并由此推算与不同典型限载车辆模型对应的总重限值，解决了桥梁限载标准的理论基础问题。

本文以山东省某混凝土简支空心板桥为例，以桥梁施工图为依据，应用限载分析模型推算出不同安全等级下典型车辆的荷载限值，并计算了典型限载车辆作用下空心板桥的跨中挠度和裂缝，以检验所提限载分析模型的工程适用性，并确定合理的桥梁限载安全等级。

1 限载分析方法

对于钢筋混凝土中、小跨径简支梁桥，若按跨中最大承载能力确定限载取值，可采用恒载SG和典型限载车辆荷载限值SQth作为最基本荷载组合形式，相对于抗力R 的结构功能函数可表示为:

结构的失效概率可表示为:

依据文献［5］，若把车辆荷载效应视为某一常量SQth，且SQth为典型限载车辆产生的荷载效应，则式(1)和式(2)可分别简化为:

上式即为典型限载车辆荷载作用下的桥梁结构失效概率。

根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》(GB/T 50283 －1999)［6］，抗力 R、恒载效应 SG的统计参数可表示为如下形式:

式中，Rk、SGk和 κR、κSG分别为抗力 R 及恒载效应 SG的标准值以及均值与标准值之比;μR、σR、δR为抗力R 的均值、方差和变异系数;μSG、σSG、δSG为恒载效应SG的均值、方差和变异系数。其中，R 与SG的分布类型与统计参数见表1。

表1 抗力与恒载效应统计参数［6］

根据桥梁施工图计算其抗力标准值Rk及恒载标准值SG，继而按式(5)、式(6)推算抗力与恒载效应的均值与标准差。在此情况下，若给定结构容许失效概率Pf，就可按式(4)反算出与实际通行桥梁对应的车辆荷载效应上限值SQth。

2 工程实例

2.1 桥梁概况

朱府村大桥位于省道S017日照界—临沂段莒南县境内，全长179.16 m，有新旧两幅桥梁组成，本次限载分析的桥梁为该桥的新桥部分。新桥的原设计荷载等级为汽—20 级、挂车—100，建成年限为2000年11月，全桥共分13 孔，横向由9 块跨径13.6 m的钢筋混凝土空心板桥组成，桥面铺装采用沥青混凝土，下部结构采用钢筋混凝土桩柱式墩台，如图1、图2所示。

图1 朱府大桥上游侧面图

图2 上部结构横向布置图(单位:m)

2.2 典型车辆限载取值

桥梁限载的对象是车辆荷载，因此，选取典型车辆荷载模型显得尤为重要。根据文献［5］，把原技术标准中车队中30 t 三轴载重汽车作为公路—Ⅱ级和汽车—20 级桥梁的典型标准车辆模型，而以55 t五轴载重汽车作为公路—Ⅰ级和汽车—超20 级桥梁的典型标准车辆模型，如图3所示。

参照美国现行桥梁评估指南对车辆限载取值的处理方法［7，8］，在典型载重汽车正常装载的情况下，假定典型车辆荷载模型轴重与车辆总重W 保持一定的比例关系不变，则典型限载车辆总重Wth即为:

公式(7)中，k 为限载系数［5］;W 为典型标准车辆车重。

图3 标准重车模型(重量单位:kN，尺寸单位:m)

下面分别以结构可靠指标为4.7、4.2、3.7 为基准，推算相应的容许失效概率，并由此反算限载系数，确定典型车辆总重限值。具体步骤如下:

1)确定恒载作用效应标准值。桥面板横断面如图4，混凝土容重为25 kN/m3，恒载作用效应标准值如表2。

图4 空心板横截面(单位:cm)

表2 主梁恒载内力

2)确定主梁跨中截面抗弯承载能力标准值。根据图5，计算得出的跨中弯矩标准值为920.94 kN·m。

图5 横截面内钢筋布置(单位:cm)

3)按式(4)反算车辆荷载效应上限值SQth。根据以上计算的标准值，由式(5)和式(6)，可以计算抗力R 以及恒载效应SG均值及方差，见表3。应用公路桥梁限载取值计算程序，反算与不同结构可靠指标对应的车辆荷载效应上限值SQth，见表4。

表3 抗力R 以及恒载SG 统计参数值

表4 不同结构可靠指标对应的车辆荷载效应上限值SQth

4)确定典型标准车辆作用下桥梁荷载效应标准值。活载横向分布系数采用铰接板法［9］计算，根据最不利布载原则，计算出跨中汽车荷载横向分布系数如表5，继而求出内力最大值在4 号梁处，典型三轴标准车辆和典型五轴标准车辆作用下内力见表6。

表5 跨中汽车荷载横向分布系数

表6 典型标准车辆作用下4 号梁内力

5)确定典型标准车辆限载系数k 及典型限载车车重。限载系数k 为车辆荷载效应上限值SQth与典型标准车辆荷载效应标准值之比。限载系数k 及典型限载车车重Wth见表7。

表7 典型标准载重车不同结构可靠指标对应限载系数k及限载车重Wth

2.3 限载标准适应性分析

前面分别计算了不同结构安全等级下典型三轴和五轴载重车辆总重限值，其承载能力可满足相应结构可靠指标要求。下面，从正常使用极限状态，进一步分析不同安全等级下典型车辆荷载限值作用下主梁的跨中挠度和裂缝宽度，以检验所提限载取值的工程适用性。不同安全等级下，典型限载车辆产生的跨中挠度wQ和裂缝宽度Wfk见表8。

表8 典型限载车辆作用下桥梁跨中挠度及裂缝mm

经计算，限载安全等级为一级、二级时，典型三轴限载车辆和典型五轴限载车辆作用下跨中挠度及最大裂缝均小于规范限值［10］。当限载安全等级为三级时，跨中最大裂缝均大于规范规定的0.2 mm。因此，对于此类桥梁不建议按安全等级三级确定限载标准。

3 结论及建议

本文在假定车辆荷载效应为常量的基础上，依据桥梁限载简化分析模型，针对钢筋混凝土简支空心板桥，详细描述了限载取值的计算方法，并基于朱府大桥对限载模型进行工程适用性分析。经分析得到以下主要结论:

1)小跨径桥梁在典型三轴标准载重汽车与典型五轴标准载重汽车作用下，汽车荷载作用效应相差不大(差值小于5%)。即，桥梁限载时，不能单以车重作为限载的标准，而应考虑多方面因素(如:轴距、轴重)。

2)朱府大桥限载安全等级为一级、二级及三级时，允许通过的典型三轴限载车辆总重分别为30.12 t、35.50 t、41.24 t;典型五轴限载车辆总重分别为 52.58 t、61.98 t、72.00 t。

3)朱府大桥限载安全等级为一级、二级时，既可满足承载能力极限状态的要求，又可满足正常使用极限状态的要求，按安全等级一级或二级进行限载是可行的。

［1］JTJ 001 －97，公路工程技术标准［S］.

［2］宗雪梅，胡大琳，高 军.桥梁超重荷载与限载标准的确定［J］.长安大学学报(自然科学版)，2008，28(1):61 －75.

［3］张俊平，刘爱荣，吴 刚.亚健康梁桥运营荷载限制的可靠度分析［J］.广州大学学报，2009，8(4):70 －74.

［4］刘爱荣，张俊平，禹奇才，等.亚健康公路混凝土梁式桥的限载方法研究［J］.中山大学学报，2009，48(5):42 －46.

［5］李松辉.公路桥梁限载取值的可靠性分析模型研究［J］.土木工程学报，2013，46(9):83 －90.

［6］GB/T 50283 －1999，公路工程结构可靠度设计统一标准［S］.

［7］LRFR －1 Guide manual for condition evaluation and load and resistance factor rating (LRFR)of highway bridges(1st Edition and 2005 Interim)［S］.Washington DC:American Association of State Highway and Transportation Officials，2003.

［8］BR －MCEB －2 －I2 Manual for condition evaluation of bridges(2nd Edition with 2001 and 2003 Interim Revisions)［S］.Washington DC:American Association of State Highway and Transportation Officials，2000.

［9］叶见曙.结构设计原理［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［10］JTG D62 －2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.