大件运输条件下桥梁安全性能快速评估技术研究

2022-09-23卢开艳李金鹿马承禹

工程质量 2022年7期

卢开艳，李金鹿，马忠，马承禹

（1.北京路桥瑞通科技发展有限公司，北京 101300；2.北京市清河管理处，北京 100192）

0 引言

大件运输是指载运不可解体的超长、超宽、超高、超重的货物，在国家公路上运输。为确保沿线道路、桥梁等结构设施不遭受损坏，需要对运输车辆超重进行计算分析。在计算系统中只需要输入车辆型号、轴重、轴距和总重，即可得出超重车辆是否能正常通行，为有效签发通行许可证提供有力保障，确保国家公路高效正常运行。假如出现道路沿线桥梁无法通行的情况，需要及时通知申请客户，并为其推荐其他路线，或者采取其他相应措施，才能正常安全通行。

1 工程概况

1.1 大件运输概念

目前国内大件运输大致分为四类，如表 1 所示。

参数类别长度/m 宽度/m 高度/m 重量/t一类 14≤X＜20 3.5≤X＜4.5 3.5≤X＜3.8 20≤X＜100二类 20≤X＜30 4.5≤X＜5.5 3.8≤X＜4.4 100≤X＜200三类 30≤X＜40 5.5≤X＜6.0 4.4≤X＜5.0 200≤X＜300四类 X≥40 X≥6.0 X≥5.0 X≥300

1.2 运输车类型

目前市面上常用两种车型，分别为单排单轴挂车和双排双轴挂车，轴重典型分布图如图 1、图 2 所示。通常计算后分布到单轮重量不应＞5 t，轴载≤10 t。

图1 单排单轴挂车典型轴重分布

图2 双排双轴挂车典型轴重分布

国内大件车辆最常用的为平板挂车，因其轴数较多，可以通过增加轴数来降低轴载，取满足规范中的限制要求，具有较好的可通过性。平板挂车因产地不同而有所差异，国产武汉神骏液压平板挂车轴距为 1.55 m。大件车辆轴距在 1.0～1.4 m（多用 1.2 m）。

1.3 公路桥梁设计荷载级技术状况等级

公路沿线桥梁根据建设年代和设计交通量不同，设计荷载有所差异，目前仍然在服役的桥梁设计荷载等级分别为公路-I 级、公路-II 级、城-A 级、城-B 级、汽超-20 级、汽-20 级、汽-15 级等 7 种等级。

桥梁技术状况等级分为 1 类、2 类、3 类、4 类、5 类共 5 个等级，前 3 类一般情况桥梁可正常行驶，后面 4 和 5 类桥在干线公路需要改造处理。

2 审批难点

2.1 审批问题

政府提倡的放管服下，并联审批的权限下放到沿途（需过境）省的市县一级公路管理部门后，存在的突出问题如下。

1）大件运输车辆的审批缺乏重要的技术支撑，大件运输桥梁承载能力快速验算是一个亟待解决的难题。

2）桥梁技术资料尤其是关于承载能力评估的资料缺乏，在一定程度上增加了桥梁承载能力评估的难度。各级公路管理部门刚接触大件运输审批，对辖区桥梁技术状况、基本资料不清、大件运输车的参数（如车辆总重、轴重及车轴分布）不清楚，缺乏资料情况下进行大件运输的审批，是行政主管面临巨大的风险，也使桥梁安全运营存在安全隐患。

3）审批效率低问题，在审批办理的过程中，为了确保通行的安全，一些特大的三类件许可证审批，要进行车辆所行路线特别是桥梁的勘验，甚至还要对桥梁进行维修、加固和改造，这个时间不在办事时限内。所以证件办起来相对较慢。

计划研究在全国大件运输许可平台嵌入桥梁承载能力快速评估模块，对大件运输线路进行优化，实现大件运输线路重点桥梁的快速评估，从而实现审批过程的智能化，具有重要的经济价值和社会价值。

2.2 审批未来展望

从产品形态上分析看，国外平台全流程智能化比较成熟；而国内平台尚属于智能化初级阶段，许多三类以上大件达不到智能化需要进行实地勘验。

从定位上分析看，国外平台是全境一体化处理，国内平台是并联分段审批。

从技术上分析看，均基于道路桥梁数据库应用技术和路径规划技术。

发展趋势是由人工审查向智能审查。

3 大件运输沿线桥梁承载能力评估方法分析

总结国内常用大件运输过桥安全性评估方法，结合算例对比不同方法评估效果以及优缺点，确定本项目大件运输车辆过桥安全性评估方法。目前国内对于大件运输桥梁承载能力评估常用的方法有：实际荷载对比法、活载效应比较法、等代荷载法以及基于车桥耦合振动效应结合实际监测过程中效应对比等方法。

实际荷载法：通过建立桥梁精细化有限元模型，考虑结构自重、钢筋预应力等荷载效应，计算大件车辆过桥时，结构产生的荷载效应，以及桥梁在设计时的承载力，通过对比结果来判断大件车辆通过桥梁的安全性。实际荷载对比法计算较为精确，结果可靠，但大件运输任务往往线路沿线有较多桥梁，此种方法需要对各个桥梁精细建模，操作性不高，耗时高，任务量巨大，且不能考虑桥梁承载能力折减。

活载效应比较法：通过计算在大件运输车辆荷载作用下，桥梁结构各截面的弯矩、剪力或应力结果等，同时计算桥梁结构在原设计汽车活载下，各截面产生的内力，将大件运输车辆荷载作用下的结果与原设计汽车活载作用下的结果进行比较，若大件运输产生的内力小于原设计汽车活载作用下的结果，则大件运输车辆可安全通过桥梁。

等代荷载法：在同一跨径桥梁条件下，采用同一种影响线，计算出大件车辆等代荷载、设计活载的等代荷载，将计算结果进行对比，来判别大件车辆过桥安全性能。

基于车桥耦合振动［1］以及实际效应相结合的方法：对于特载车辆通过桥梁需要过程中监测时对桥梁安全性能评估的方法。本项目结合车桥耦合振动的方法提取大件运输车通过桥梁的动挠度理论曲线，同毫米波雷达监测的挠度时程曲线进行对比分析，来评估桥梁在大件运输车通行时的安全性能。

4 桥梁承载能力快速评估方法

对于大件运输车辆通行时桥梁承载能力评估方法，本项目采用多种方法相结合的综合评估方法。

4.1 等代荷载法

对于桥梁设计荷载等级比较高、技术状况较好的桥梁，采用等代荷载法进行快速评估，等代荷载法评估速度较快，便于行政主管部门快速审批。根据重点线路桥梁信息按结构类型进行分类，根据大件运输车的荷载模型，提供能安全通过桥梁的荷载总重、轴重以及轴距的车辆类型，并及时将该类车型进入大件运输车辆的模型库［2］。

4.2 活载效应比较法

对于桥梁技术状况等级较好，设计荷载等级较低的桥梁需要进行精确的承载能力评估，可以采用活载效应比较法进行评定。利用结构有限元软件建立桥梁结构的有限元模型，计算大件运输车辆荷载在桥梁通行时内力包络线，将其内力包络线同设计荷载作用下内力包络线进行比较来评估桥梁传承载能力［3］。

利用 MIDAS 建立桥梁有限元模型，只添加车辆荷载，模拟 3 轴车辆通过桥梁，分别计算桥梁在 3 轴车辆和设计车辆荷载下的荷载效应（弯矩包络图）如图 3 和图 4 所示，进行过桥安全性校核。大件车辆荷载作用下的桥梁荷载效应小于设计活载作用下的桥梁荷载效应是大件运输车辆通过安全校核的条件。

图3 大件运输车辆作用下弯矩包络图

图4 设计活荷载作用下弯矩包络图

4.3 实际荷载法

对于桥梁建设年代比较早、技术状况等级和设计荷载等级比较低的少数桥梁，应采用实际荷载法进行评估。实际荷载对比法需要建立精细的有限元模型将大件运输车进行加载模拟计算，该方法评估成本相对较高，适用于少量需要评估的桥梁［4］。

4.4 基于桥梁承载能力折减和荷载组合系数评估

由于桥梁施工技术水平、设计标准、受运营环境以及车辆荷载等因素影响，依据规范对桥梁进行承载能力折减更符合桥梁实际状况。JTG/TJ 21－2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》中给出了桥梁承载能力极限状态计算公式，该计算公式引入承载能力检算系数、承载能力恶化系数、配筋混凝土结构的截面折减系数和钢筋的截面折减系数，通过这 4 个系数来对桥梁抗力进行折减。承载能力极限状态计算公式按规范 JTG/TJ 21－2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》中 7.3.1 计算。

JTG D60－2015《公路桥涵设计通用规范》规定，公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，活载分项系数为 1.4，桥梁设计活载荷载组合公式见式（1）。

式中：S为作用组合的效应函数；SG为永久作用的标准值，kN；μ为冲击系数；SQ为汽车荷载标准值。

大件运输车辆荷载属于偶然荷载，不是桥梁设计时的常规荷载，偶然作用的荷载组合分项系数为 1.0，当公路上的汽车超过 GB 1589－2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷即质量限值》的限制值时，此类车辆行驶在桥上，桥梁承载能力检算时，荷载分项系数取 1.1，因此大件运输车辆荷载组合分项系数取 1.1，当大件运输车辆上桥时，为了能最大限度地发挥桥梁承载能力潜力，对其通行方式有着严格的要求，一般需遵循以下规定。

①多数情况下，大件运输车辆应沿桥梁的中心线行驶；②车辆在桥上应在规定的速度下匀速行驶，通常要求速度为 5 km/h 以下；③在桥上行驶时，车辆不能改变车速和制动等；④可调整牵引车与平板挂车的行驶距离或让其分别通过桥梁；⑤超重车辆过桥时，可按实际情况临时实行桥梁禁行。

因此，大件运输车辆进行荷载组合时不考虑冲击系数，大件运输车辆荷载组合公式见式（2）。

式中：S为作用组合的效应函数；SG为永久作用的标准值，kN；SQ为汽车荷载标准值。

4.5 基于正常运营状态实测挠度效应与大件运输车效应的对比法

等代荷载法、活载效应对比法和实际荷载对比法都是基于设计状态桥梁进行评估，对于既有结构桥梁，受运营环境、荷载、材质退化等因素影响桥梁结构状态有所不同，因此这几种评估方法的结果会有一定的偏差。基于桥梁承载能力折减的评估方法需要对桥梁几何线形、外观缺损、材质状况以及桥梁动力特性进行测试，测试成本也相对较高；此外该方法还需要对桥梁的荷载进行调查来计算荷载效应，而荷载的调查数据对于养护管理部门来说往往是缺失的，这也会导致评估结果存在一定的不确定性。

因此本项目研究的关键技术和创新点就是引入国内动挠度测试的最先进方法的毫米波雷达测试技术对桥梁动挠度进行动态准确的测试。

1）正常运营状态下对桥梁动挠度进行测试。超载一直是国内桥梁运营不可回避的话题，多数桥梁在正常运营状态都存在一定程度的超载现象。国内桥梁时有发生因超载导致的桥梁损坏及垮塌事件，但多数桥梁仍能安全运营是由于桥梁结构在设计时有较大的安全系数。运营状态桥梁动挠度是评价桥梁承载能力的关键指标，在运营状态下对桥梁动挠度监测尤为重要。本项目研究采用国内最先进的桥梁动挠度的测试方法——毫米波雷达，对桥梁正常运营状态的典型车辆尤其是重载交通时段对桥梁动挠度进行一段时间的监测，从而获得在典型重载交通时段桥梁结构关键控制截面的挠度响应的最大值，作为评估桥梁结构安全运营状态的重要依据。在运营过程中对挠度监测时，配合人工对车流量的情况进行观测记录（通过车型、车道等信息），结合桥梁结构动挠度响应实测值估计桥梁在运营状态桥梁车辆荷载大小。

2）基于桥梁结构影响线评估大件运输车辆的挠度响应值。本项目研究的思路是基于实测动挠度对桥梁结构的影响线进行测试，实测结构影响线含有丰富的结构信息（原材料、结构几何尺寸、材质退化、结构缺损及损伤等），通过大件运输车的荷载在影响线上进行加载拟合得出大件运输车的挠度响应值。具体步骤包括：收集大件运输车通过桥梁的综合结构数据，如待测试桥梁对应的主梁结构数据和行驶车道数据；根据所述主梁结构数据选取主梁测试截面，主梁测试截面上设置多个挠度测试位置；通过测试各个所述挠度测试位置对应的挠度，得到各个所述挠度测试位置对应的动挠度时程曲线，并根据所述动挠度时程曲线计算出所述待测试桥梁的挠度影响线；根据拟合的挠度影响线，将大件运输车在桥梁对应的行驶车道上进行车辆布载，并计算出在大件运输车作用下各个所述挠度测试位置对应的拟合静载挠度值；得到的拟合静载挠度值大件运输车通过时产生挠度的实测值。

3）桥梁承载能力的快速评估方法。基于正常运营状态实测挠度效应与大件运输车效应的对比法，在本项目研究中采用两项指标对桥梁承载能力进行评估。基于正常运营状态实测挠度效应的最大值作为桥梁正常运营状态下桥梁结构挠度的控制指标，大件运输车辆在实测结构挠度影响线上加载的挠度值不得超过控制指标。桥梁结构承载能力评定另一个指标是大件运输车在实测结构挠度影响线上加载的挠度值同理论计算值之比，即大件运输车通过时的校验系数。大件运输车通过时的理论计算值是将大件运输车的荷载在桥梁结构的有限元模型上的计算值。

通过以上两个指标的对比分析，可以实现快速对桥梁结构承载能力的快速评价。

4）大件运输特殊荷载的实时监测评估方法。当特殊大件运输车辆通过桥梁时，由于大件运输的桥梁快速评估系统没有大件运输的车辆荷载模型，或经系统评估桥梁结构承载能力安全储备较低时，则需要在特殊大件运输车辆通过桥梁全过程进行实时监测［5］。具体实施的方案是建立桥梁结构的有限元模型，计算大件运输车辆通过桥梁时的静态挠度值，必要时可以建立车桥耦合振动的模型计算车辆通过时挠度的时程曲线。在大件运输车通行时采用毫米波雷达对桥梁挠度值进行实时监测，提取静态挠度的最大值或实时动态挠度曲线，并同理论计算值进行比较，确保桥梁结构在大件运输车能安全通过。