拼接加宽梁桥大件车辆通行安全评估及监测研究

任晓辉 赵艳艳 杜 勇

(陕西高速公路工程试验检测有限公司，陕西 西安 710086)

近年来，随着工业建设进程的加快及装备制造业的迅猛发展，众多特大、特重型的不可拆解设备需要通过公路运输至各地，这为交通运输业出了道难题，同时也带来了广大机遇。公路大件运输难以避免，只有选择合理的装载方式、合理的通行线路，依据桥梁承载能力安全评估结果确定合理的过桥方案后，方能按照通行方案组织通行，同时还需做好通行过程中的各项安全措施，确保大件运输及公路桥梁的安全［1］。

1 车辆及桥梁概况

本文以大件车辆通行某高速公路改扩建拼接装配式梁桥为例进行研究。该大件车辆装载货物为大型变压器，总重460 t，车辆几何尺寸为98.0 m×6.8 m×4.8 m(长×宽×高)，装载方式采用12 +13 轴线液压板车通过桥式框架连接，前后液压板车的净距为35 m，板车轴载15.8 t，由于设备较重，在车头处设置牵引车，车尾设置顶推车，确保车辆平稳运行。

该大件车辆通行线路包含一段高速公路四车道改八车道扩建路段，此路段桥梁加宽方案为旧桥全部利用，在原有4 片小箱梁的基础上在外侧增加3 片小箱梁，扩建至7 片，以适应日益增长的交通量需求。由于设计荷载不同，新建小箱梁与原有箱梁截面尺寸略有不同。以20 m 装配式梁桥为例，原有旧桥上部结构为横向4 片梁高1.0 m 小箱梁，拼接3 片梁高1.2 m 小箱梁，新旧箱梁通过翼板处植筋刚性连接，新旧小箱梁横截面尺寸见图1。

图1 改扩建拼接装配式梁桥新旧小箱梁横截面主要尺寸示意图（单位：m）

对于此类采用新旧主梁拼接的装配式梁桥，大件车辆通行桥梁安全评估需要关注的主要问题有:1)主梁的承载力是否满足大件车辆通行要求;2)桥面板局部受力是否满足大件车辆通行要求;3)以何种方案(全桥居中通行、沿3 片新梁居中通行、沿新旧箱梁拼接处通行)通行桥梁更优［2］。

2 大件车辆通行桥梁安全评估

2.1 桥梁承载能力评估

1)桥梁承载能力评估方法。桥梁承载能力评估方法较多，国内外学者也对此做过很多研究［1］，主要包括基于实桥调查的经验方法、荷载试验方法、设计理论法、实际荷载检算法和等代荷载判别法、非线性理论法等，其中实际荷载检算法和等代荷载判别法由于其快速、简便的特性，在大件运输中应用最为广泛［3］。a.等代荷载判别法。等代荷载判别法就是在同一跨径(或荷载长度)用同一种影响线分别计算出大件车辆和标准车辆荷载的等代荷载，将两者进行比较，以判别大件车辆能否安全通过桥梁或桥梁是否需进行加固。在大件运输要求时间紧、计算量大的情况下，可采用此法进行粗略判断［3］。b.实际荷载检算法。实际荷载检算法又称内力效应比较分析法，即分别计算出大件运输车辆过桥时桥梁结构中的内力效应和原设计标准下结构的设计承载力，通过比较两者的大小来判断能否通过。根据超限运输车辆行驶公路管理规定，大件车辆在桥上不得制动、停留或启动，应以不超过5 km 的速度匀速居中缓慢通过桥梁，因此计算大件车辆荷载效应时可不计冲击系数［3］。由于大件车辆与设计荷载出现的概率不同，应采用不同的荷载效应系数，并且在考虑了各自荷载效应系数后再进行荷载效应的比较［4］。

2)主梁承载能力评估结果。以改扩建拼接加宽20 m 装配式梁桥为例，桥梁总宽21.0 m，设计荷载等级公路—Ⅰ级，主梁采用C50 混凝土，经现场检查及技术状况评定，该桥未发现影响结构安全的病害，桥梁技术状况等级评定为1 类［5］。考虑横向分布，按照荷载效应比较法对设计荷载及大件车辆分别作用下小箱梁的跨中弯矩、墩顶负弯矩及支点剪力效应进行对比分析，结果见表1。

表1 20 m 小箱梁荷载效应对比表

由表1 可知大件车辆对20 m 小箱梁所产生的最不利荷载效应均小于设计荷载所产生的荷载效应，表明小箱梁的承载能力可以满足大件车辆的通行要求。

2.2 桥面板局部验算

为了防止大件车辆轴载过大而造成桥面板局部损伤，应对桥面板进行局部承载力验算。验算依据JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范和JTG D60—2004 公路桥涵设计通用规范相关规定进行。桥面板局部验算设计荷载采用55 t 车辆荷载，标准车辆参数见图2。标准车辆前轮着地宽度及长度为0.3 m×0.2 m，中、后轮着地宽度及长度为0.6 m×0.2 m。

大件车辆液压板车采用一线双轴八轮组，横向轴距轴载布置图见图3，根据该车轴载分布情况，其中平板车每轴总轴载为158 kN，每轮组荷载P=39.5 kN。板车每轮组着地宽度及长度为0.456 m×0.2 m。计算得到各参数见表2。按照荷载效应比较法对设计荷载标准车辆及大件车辆分别作用下桥面板各控制截面荷载效应进行对比分析，结果见表3。

图2 车辆荷载的立面、平面参数

图3 大件车辆液压板车横向轴距、轴载参数（单位：mm）

表2 桥面板局部验算参数表

表3 桥面板局部验算结果及结论

从表3 可以看出，大件车辆通行桥梁桥面板各控制截面内力效应均小于设计标准车辆产生的荷载效应，可以安全通行。

2.3 新旧拼接桥梁通行方案

对于改扩建拼接装配式梁桥大件车辆通行方案问题，有三种可供选择的方案，各有利弊，见图4。方案一沿全桥中心线行驶，荷载分布较为均匀，但对于新旧梁拼接部位剪力效应较大;方案二沿拼接后3 片新梁中心线行驶，考虑到新梁较旧梁承载力有所提升，单片箱梁受力更为有利，但横向分布较为不利;方案三沿新旧箱梁拼接处中心线行驶，横向分布介于方案一、二之间，拼接部位剪力效应相对较小。通过对三种方案下横向分布系数分别进行计算，方案二较方案一最不利主梁横向分布系数大5%左右，方案三较方案一最不利主梁横向分布系数大0.5%左右，拼接部位剪力效应显著降低。考虑到改扩建施工中箱梁翼板植筋拼接及新旧梁体混凝土粘结效果存在不确定风险的因素，在保证每片箱梁均不超过设计荷载效应的前提下，综合考虑，选择拼接部位剪力效应较小的方案三通行方式更为合理。

图4 改扩建拼接装配式梁桥大件车辆通行方案示意图

3 大件车辆通行桥梁实时监测

1)监测方案及实施。为了了解大件车辆通行时桥梁的实际响应状况，评价评估结果及通行方案是否合理，选择四改八改扩建路段拼接装配式梁桥进行实施监测，监测位置为边孔跨中截面，挠度、应变测点布设方案见图5，共设置5 个动挠度测点、3 个动应变测点，采用DH-5922 动态信号测试分析系统进行数据采集。

图5 大件车辆通行桥梁监测应变、挠度测点布设图

2)理论计算结果。采用通用有限元软件ANSYS 对该桥建立实体模型，通过加载运算，得到大件车辆第二列板车满布于测试桥跨时(见图6)，测试孔跨中挠度达到最大值，位移云图见图7。

图6 大件车辆最不利加载位置

图7 大件车辆在最不利位置加载时的位移云图

3)监测结果及分析。监测得到各测点在大件车辆通过时的挠度和应变变化曲线，图8，图9 分别为应变测点1，2 的应变时程曲线和挠度测点13，14 的挠度时程曲线。

图8 挠度监测曲线

图9 应变监测曲线

各挠度、应变测点理论计算与监测结果对比见表4。

经过对监测结果对比分析，挠度、应变实测值均小于理论计算值，校验系数介于0.83～0.94，未见明显残余变形，通行完毕后通过对桥梁进行外观检查，未发现缺损病害。监测结果表明结构处于弹性工作状态，新旧箱梁拼接协同受力良好，通行评估结论准确，方案可行。

表4 挠度、应变监测结果与理论计算结果对比表

4 结语

本文针对对改扩建拼接加宽装配式梁桥大件车辆通行安全评估问题，从主梁承载力评估、桥面板局部验算及大件车辆通行方案等方面对大件车辆能否安全通行桥梁进行了评估，并给出了较为合理的通行方案，大件车辆通行时对桥梁实施了实时监测，监测结果表明桥梁结构处于弹性工作状态，新旧箱梁拼接协同受力良好，通行评估结论准确，方案可行，为后续大件车辆通行桥梁安全评估提供有效参考。

［1］杨 涛.公路大件运输安全技术评价制度研究［D］.西安:长安大学，2010.

［2］张辉辉.公路桥梁大件运输关键问题研究［D］.武汉:武汉理工大学，2011.

［3］任晓辉，张 宏.公路大件运输中桥梁通行安全性评估及临时加固［A］.全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议［C］.2008.

［4］于传君.公路大件运输桥梁安全评估及临时加固设计［J］.北方交通，2009(9):54-56.

［5］乔仲发.大件运输全周期桥梁检测评估研究［D］.杭州:浙江大学，2010.