重型装备公路桥梁通过性问题探索

何 丽，周 彤，张永阔，张涛华，张博宇

重型装备公路桥梁通过性问题探索

何 丽，周 彤，张永阔，张涛华，张博宇

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

由于应用场景的特殊性，重型装备的整车吨位达到交通运输部超限（超重）运输车辆标准，在实施公路运输时存在诸多限制。尤其是超重车辆在通过公路桥梁时，是否能顺利通过、不对现有桥梁产生损坏、不发生桥梁坍塌的事故，是现有重型装备设计论证以及使用过程中需要重点考虑的问题。针对这一需求，对重型装备需要考虑的桥梁承载能力评价问题进行梳理，并分析了整车重量、轴距、轴荷等因素对通过性的影响趋势，为重型装备论证提供有效的支撑。

重型装备；桥梁；承载能力；通过性

0 引 言

依据目前重型装备车辆规模，参考交通运输部令2016年第62号文中的规定[1]，在公路上行驶有下列情形之一的运输车辆称为超限（超重）运输车辆。

a）三轴汽车列车总质量超过27 t；

b）四轴汽车列车总质量超过36 t；

c）五轴汽车列车总质量超过43 t；

d）六轴及以上汽车列车总质量超过49 t。

由此可见，现有大型重型装备相对民用车辆存在普遍超重现象。随着装备好使用、好维护等要求的不断提升，重型装备运输车辆的公路、铁路、桥梁通过性等问题是装备论证设计过程中需要首要考虑的问题。文章重点针对公路桥梁通过性验算评估相关问题进行分析，为重型装备设计论证提供参考。

1 通过性验算范围

现有公路桥梁结构形式、规模多种多样，不同区域由不同的设计院所管理，作为使用者很难获得桥梁建造详细资料，因此，从通过性验算的可实施性上考虑，以交通运输部颁布的公路桥梁通用图为依据，针对通用桥梁建造结构开展通过性验算。

通过收集整理《公路桥涵标准图装配式钢筋混凝土斜板桥上、下部构造》（JT/GQB 017-2000）、《公路桥涵标准图装配式钢筋、预应力混凝土板》（JT/GGQS 011-84）、《公路桥涵标准图装配式预应力混凝土斜空心板上部构造》（JT/JQB 001-93）等标准文件，标准桥梁结构跨径最大为40 m，以中小桥梁为主，主要为空心板、实心板以及梁桥形式，统计梳理确定桥梁通过性验算桥梁范围见表1和表2。

表1 标准简支板桥主要参数

Tab.1 Main Parameters of Standard Simply Supported Plate Bridge

跨径/m板块数/个单板宽/m车道宽/m3、45、68、1013、162041.04.541.254.551.06.051.256.061.06.071.07

表2 标准简支梁桥主要参数

Tab.2 Main Parameters of Standard Simply Supported Beam Bridge

跨径/m梁片数/个单梁宽/m车道宽/m 13、1620、2530、354032.24.5 41.6/2.24.5 32.56.0 41.66.0 51.6/2.26.0 42.2/2.57.0 52.27.0

2 荷载标准及限载要求

2.1 荷载标准

从20世纪90年代至今，桥梁设计荷载经历了《公路工程技术标准》1997、2003、2014[2～4]版本的更新，桥梁的安全系数和要求也在逐步地提高。从现实条件出发，新标准颁布后仍存在新旧桥梁同时投入使用的现状，因此装备桥梁通过性验算对旧标准、低等级桥梁仍需开展分析。

97版标准中桥梁主体结构设计的车辆荷载分为计算荷载和验算荷载两种形式，两种荷载均作为桥梁的设计荷载，桥梁需同时具备承受两种形式荷载的能力。其中，计算荷载以汽车车队表示，验算荷载以履带车、平板挂车单车表示，详见表3。

表3 1997版标准各级桥梁荷载统计

Tab.3 1997 Edition of Standard Bridge Load Statistics

荷载等级车队荷载最大轴荷/t 汽车-10级设计荷载汽车-10级3辆10t主车，1辆15t重车10 验算荷载履带501辆50t履带车— 汽车-15级设计荷载汽车-15级3辆15t主车，1辆20t重车13 验算荷载挂-801辆80t挂车20

续表3

荷载等级车队荷载最大轴荷/t 汽车-20级设计荷载汽车-20级3辆20t主车，1辆30t重车13 验算荷载挂-1001辆100t挂车25 汽车-超20级设计荷载汽车-超20级4辆20t、1辆55t重车14 验算荷载挂-1201辆120t挂车30

注：履带50荷载形式为均布载荷，不存在最大轴荷。

从2003版标准开始，桥梁设计荷载等级采用公路Ⅰ级、公路Ⅱ级表示，2003版标准中的公路Ⅱ级桥梁荷载效应等同于1997版标准中的汽车-20级桥梁，2014版标准又在2003版标准的基础上增强了设计荷载效应，因此重型装备桥梁通过性的薄弱环节为1997版标准汽车-20以下级别的桥梁。

2.2 桥梁限载要求

根据《交通运输部关于进一步强化公路桥梁养护管理的若干意见》交公路发[2013]321号文件中提出桥梁限载标志设置要求，见表4，限载值取值为计算车队荷载的重车重量和车队中最大单轴重量。

表4 各等级桥梁限载标志要求

Tab.4 Load Limit Sign Requirements for Bridges

公路等级总重限载/t单轴限载/t 公路Ⅰ级、公路Ⅱ级或汽车-超20级5514 汽车-20级3013 汽车-15级2013 汽车-10级1510

桥梁限载是为了管理车辆超限超重违法行驶，并非代表了桥梁的极限承载能力。从桥梁的设计荷载来看，桥梁的实际承载能力远大于限载要求，从实际使用来看，民用大件运输行业超重车辆允许超过300 t[5]，在相关交通管理部门办理通行证后，可按规定的时间、线路进行运输。

因此对于重型装备而言，是否能顺利通过桥梁并非按桥梁限载标识来限制，而是应根据设计轴荷、轴距分配情况，分析其对桥梁造成的荷载效应是否在桥梁的设计包络范围内，确定其通行能力。

3 桥梁通过性验算方法

3.1 验算原理

简支梁/板桥通过性的判断是通过对比设计荷载（计算荷载和验算荷载）与重型装备在桥梁产生的弯矩、剪力荷载效应值，进一步推断重型装备的桥梁通行能力。当设计荷载效应值（计算荷载和验算荷载效应的最大值）/重型装备荷载效应值≥1时则表示重型装备可以通行；否则表示不能通行。

针对1997版标准，重型装备可通过某一等级、某一规格桥梁的验算按公式（1）开展[7,8]。

3.2 通过性检验位置分析

车辆在桥上的纵向位置对桥梁承受的弯矩和剪力影响明显。桥梁通过性验算首先要找出跨中与跨端支点两个截面整体承受的最大弯矩和最大剪力。根据车辆轴距与桥梁跨径的关系，会存在两种可能：

a）桥梁跨径小于总轴距，车辆过桥时总是部分车轴在桥上。此时应根据桥梁跨径和轴距分配的关系，首先确定桥上可能受到的最大载荷和桥上的车桥数。其次分析合成荷载作用中心位置，最大弯矩出现位置为合成作用中心位于桥梁中心的位置，最大剪力出现位置为合成作用中心最接近的位置。

图1 部分车桥在桥梁上

b）桥梁跨径大于总轴距，车辆过桥时是全部车轴都在桥上。此时最大弯矩出现的位置为车辆合成质心位于桥梁中心的位置，最大剪力出现的位置为车辆合成质心离支点最近的位置。

图2 全部车桥在桥梁上

3.3 横向分布系数

从桥的横向截面的角度，装配式板桥或梁桥都是以多片板或梁组装，再加横向联结而成。桥梁通过性验算弯矩与验算剪力是针对单片梁而言的。

因车辆荷载通过轮胎作用于桥梁之上，轮胎与桥梁接触部位仅为很小一个区域，而桥面板一般由多个主梁横向拼接而成，作用荷载在桥梁横向分布会因为轮胎作用位置的不同而在各主梁上呈现出不同的影响效果，因此需考虑横向分布系数的影响。如图3所示，车辆荷载通过左右车轮作用的桥面结构上，不同的横向布局位置将使得主梁1、主梁2、主梁3所承受的跨中弯矩和支点剪力的分配比例是不一致的。需要对横向不同位置进行分析计算，获得主梁1、主梁2、主梁3中承受的最大弯矩和剪力。

图3 车辆在桥上的横向布局示意

横向分布系数实质为主梁在横向分配到的最大载荷比例。横向分布系数的大小主要受车辆轮距、主梁几何结构及布置等因素影响。应按桥梁几何结构以及车辆在桥上不同的布局位置分析后获得。

常见的横向分布系数计算方法有杠杆法、刚性梁法、铰接板（梁）法、刚接板（梁）法、有限元空间梁格法等[6]。

3.4 冲击系数

汽车荷载冲击力是指汽车荷载的冲击作用所产生的附加力，不包含汽车的静荷载，但是它以静荷载的比例来表示，这个比例值称为冲击系数。冲击力主要由车辆加减速、桥头跳车、路面不平等因素引起。

按桥规[1]中的要求，对于设计荷载，需考虑冲击载荷的影响，冲击系数与桥梁的跨径相关。当桥梁跨径不大于5 m时取0.3，桥梁跨径不小于45 m时取0，桥梁跨径为5 m至45 m之间，该值为线性变化。对于验算荷载不考虑冲击载荷。

对于重型装备，因其属于超重车辆，按交通运输行业相关标准以及规范性文件，此类车辆在通过桥梁时须限制行驶速度，限速5 km/h[10]，因此可按无冲击载荷进行验算。

4 桥梁通过性的影响分析

根据第3节描述的通过性验算方法，针对目前限制重型装备行驶的汽车-10、汽车-15低等级桥梁，利用理论分析的手段开展整车重量以及轴荷分配对通过性的影响分析。

按公路部门的相关限制规定，现约束重型装备设计轴荷不超过13 t，并依据不同规模车辆设计轴距的经验，针对1.8 m、2.2 m、3.2 m 3种典型轴距分配方式，开展轴荷、轴距对汽车-10级、汽车-15级桥梁通过性影响分析。分析过程如下：

a）单轴轴荷不大于13 t，整车重量不大于13×轴数；

b）根据不同的轴距分配方案，对表1、表2中的103类的桥梁进行通过性校验；

c）当103类桥梁全部均能通过的情况视为无限制；当103类桥梁中存在不能通过的情况，降低轴荷，迭代计算出全部通过的轴荷阈值，轴荷阈值×轴数为整车重量（以下简称整重）阈值；

d）对于降轴荷通过桥梁的情况，根据分析结果数据总结车辆桥梁通过性影响的限制条件（剪力/弯矩）。

通过对获得的2781个子样进行统计分析，总结出桥梁通过性影响分析见表5、表6。

表5 汽车-10级桥梁通过性影响分析

Tab.5 Analysis of Passability Effect of Grade-10 Bridge

轴数轴距为1.8m轴距为2.2m轴距为3.2m 轴荷阈值/t整重阈值/t限制条件轴荷阈值/t整重阈值/t限制条件轴荷阈值/t整重阈值/t限制条件 41342无1342无1342无 510.653剪力1154.5剪力11.557.5剪力 69.154.6剪力9.355.8剪力1060剪力 78.056.0剪力8.458.8剪力9.163.7剪力

表6 汽车-15级桥梁通过性影响分析表

Tab.6 Analysis of Passability Effect of Grade-15 Bridge

轴数轴距为1.8m轴距为2.2m轴距为3.2m 轴荷阈值/t整重阈值/t限制条件轴荷阈值/t整重阈值/t限制条件轴荷阈值/t整重阈值/t限制条件 41342无1342无1342无 51365无1365无1365无 61378无1378无1378无 711.379.1弯矩11.882.6弯矩1391无 810.281.6弯矩10.886.4弯矩12.398.4弯矩+剪力

从大量的分析数据可以看出，针对汽车-10级桥梁的通过性有以下规律：

a）汽车-10级桥梁通过性的限制条件主要表现为剪力，整车重量对通过性影响更为显著；

b）4轴车辆，在常规的设计轴距、轴荷不超13 t的条件下，可以无限制通过汽车-10级桥梁；

c）5轴及以上车辆，对于可通过汽车-10级桥梁的车辆设计总重有限制，相同轴距条件下，随着轴数的增加，限重增幅不大；

d）相同轴数，随着（总）轴距的增加，同等桥梁可承受的车辆总重更大，相同质量，通过轴距分配设计可一定程度提升过桥能力；

e）由于（总）轴距的增加会导致车辆弯道通过性降低，因此车辆设计时应综合考虑给出适宜的轴距分配方案。

针对汽车-15级桥梁的通过性，与汽车-10级桥梁相比，还呈现出以下规律：

a）汽车-15级桥梁通过性的主要限制条件表现为弯矩，此时在轴距分配设计较为关键；

b）6轴及以下车辆，在常规的设计轴距、轴荷≤13 t的条件下，可以无限制通过汽车-15级桥梁。

5 旧桥承载性能评价

桥梁通过性验算的理论方法是针对理想状态的新桥开展，而实际条件下，低等级的桥梁均为老旧桥梁，其承载能力受施工质量、使用年限、运营状况以及养护管理等多种因素相关。

装备使用过程中，还应结合《公路桥涵养护规范》《公路桥梁技术状况评定标准》等文件中的技术状态评定方法对桥梁进行评级，按等级判定桥梁通过性。桥梁技术状况评定等级划分如表7所示[11,12]。

表7 桥梁技术状态等级

Tab.7 Grade of Bridge Technical Status

等级桥梁技术状况描述养护措施 1类完好或良好状态。全新状态，功能完好日常保养 2类较好状态。有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响小修、保养 3类较差状态。有中等缺损，尚能维持正常使用功能，缺损恶化会发展中修，酌情进行交通管制 4类差的状态。主要构件有大的缺损，严重影响桥梁使用功能；或影响承载能力，不能保证正常使用大修、加固、改建，及时进行交通管制。如限载、限速通过，当缺损较严重时应关闭交通 5类危险状态。存在严重缺损，主要构件不能正常使用，危及运营安全。加固、改建、重建，及时关闭交通

根据《JTG H11-2004公路桥涵养护规范》中3.5.4条[11]：

a）对于桥梁技术状况等级为1类、2类的桥梁，即完好或较好状态，可认为其承载能力仍满足规范要求。

b）对于桥梁技术状况等级为3类的桥梁，即较差状态，应根据现场检测数据，委托有资质的机构开展加载试验评定。

c）对于桥梁技术状况等级为4类、5类的桥梁，即差或危险状态，需要交通管制的桥梁，禁止重型装备通行。

6 结 论

本文针对重型装备桥梁通过性评估的相关影响因素进行了研究，获得了通过性评估的范围，并针对轴荷、轴距、整车重量对不同等级桥梁通过性的影响趋势展开分析，通过研究可以获得如下结论：

a）重型装备是否能通过桥梁并非以车辆单轴限重以及整车重量作为直接判断依据；

b）增大轴距对重型装备桥梁通行能力有利，但过分增大轴距会降低道路弯道通行能力，因此应综合考虑确定适宜的轴距分配方案；

c）以桥梁施工质量良好，现状承载能力评定满足规范要求为计算前提，轴荷不大于13 t、轴距不小于1.8 m的4轴以下车辆可以无限制通行汽车-10级桥梁，轴荷不大于13 t、轴距不小于1.8 m的6轴以下车辆可以无限制通行汽车-15级桥梁；

d）针对实际道路上的旧桥，应根据相关养护数据对桥梁等级进行确认，3类桥梁是否能通过由具备相应资质的部门进行评判、加固；三类以下桥梁不能通行。

本文仅针对重型装备桥梁通过性的相关影响因素进行趋势性分析，相关结论在文中的假设前提条件下开展，车辆详细的通过性判别还应根据桥梁实际条件开展，根据确定的轴荷、轴距分配给出桥梁通过性结论。

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Inquiry into the Problem of Road Bridge's Passability for Heavy Equipment

He Li, Zhou Tong, Zhang Yong-kuo, Zhang Tao-hua, Zhang Bo-yu

(Beijing Institute of Space Launch Techology, Beijing, 100076)

Due to the particularity of the application scenario, the whole vehicle weight of heavy equipment is up to the standard of heavy transport vehicles issued by the ministry of communications. Weather the heavy vehicles can pass the bridge, without causing damage to the existing bridge or causing the bridge collapse is a key problem to be considered in the design and use of the existing heavy equipment. In view of this demand, the evaluation problem of bridge bearing capacity to be considered for heavy equipment is sorted out, and the influence of vehicle weight, wheelbase, axle load on the bridge passability is analyzed, providing strong support for the demonstration of heavy equipment.

heavy equipment; bridge; bearing capacity; passability

2097-1974(2023)01-0074-06

10.7654/j.issn.2097-1974.20230115

TJ089

A

2020-03-03；

2020-04-01

何 丽（1984-），女，高级工程师，主要研究方向为虚拟试验与仿真。

周 彤（1990-），男，工程师，主要研究方向为导弹发射技术。

张永阔（1993-），男，工程师，主要研究方向为导弹发射技术。

张涛华（1983-），男，高级工程师，主要研究方向为导弹发射技术。

张博宇（1985-），男，高级工程师，主要研究方向为导弹发射技术。