关于桥梁结构大件运输通过性评估方法的思考

宋恒扬 钟杰 彭浪鸣 秦健淇

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司）

0 引言

大件运输通常是指汽车运输，特别是大型设备或构件的运输，使用非常规的车辆来承载超重或超尺寸或形状特殊的物品。随着中部崛起、西部大开发等区域发展战略的深入实施，中西部地区重点建设工程项目规模迅速扩大，工业设备大型化、重型化的趋势日益明显，特重大件设备运输的需求量越来越大，已出现常态化的趋势。

目前，对于我国大件运输车辆桥梁评估主要存在以下几个方面的问题：

⑴不同批次的大件运输车辆，其尺寸、重量和轴荷分布都各不相同，装载方案千差万别，难以统一。

⑵我国高速公路建设年代分布较广，各条高速路线修建年代、设计荷载标准、桥梁结构形式各不相同。

⑶随着经济建设高速发展，大件运输需求量越来越大，件数呈“爆发式”增长；对于单独的每一件，审批单位都需要在审批时限内对大量的桥梁进行验算评估，评估工作量巨大。

⑷大件运输桥梁评估技术含量高，重要性强，必须做到万无一失，目前缺少一套安全、科学、智能、快速的评估方法。

本文重点对活载效应对比法、极限承载力验算法、荷载试验验证法的优缺点及使用范围进行研究，在确保大件运输过程中结构安全的同时，进一步提高大件运输车辆通过审批的工作效率。

1 活载效应对比法

活载效应对比法是通过计算桥梁结构各截面在大件运输车辆荷载作用下的内力（弯矩和剪力），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，将计算内力与原设计内力进行比较，如果大件运输产生的内力小于原设计汽车活载作用下的结果，则能从桥上安全通过，其计算公式为：

式中：

S大件——大件运输车荷载内力；

S设计——设计荷载效应值。

判别标准为：

当μ≤1.0，大件车具备可同行的权利；

当μ＞1.0，大件车丧失通过权。

根据对评估对象不同，还可分为整桥截面的荷载效应和基于横向分布系数的构的活载效应比较两种。在大件运输车辆通过时，某些桥梁结构设定的行驶位置是居中行驶，如果它适用于整个断面的承载力评估，直接可以对比荷载效应。但对于空心板小箱梁等装配式构件，在进行荷载效应的计算时，首先需要对车辆通过时的行驶区域进行设定，然后再对横向分布的最大系数进行计算，而对设计荷载则要根据冲击系数的确定再综合判定。对大件运输车辆的荷载作用，同样需要考虑设定行驶区域，以确定横向分布系数，并在大件运输车辆通过时考虑一定的荷载安全系数，从而对大件运输车辆的荷载作用进行确定。

2 极限承载能力验算法

这种方法判断大件运输车辆的通行要求，是利用桥梁结构的内力效应和原设计标准下结构的设计承载力进行比较。大件运输车辆过桥应从结构或构件的强度、刚度和稳定性三个方面进行承载能力验算。其计算公式如下[7-9]：

式中：

γ0——结构的重要性系数；

S——荷载效应；

R(·)——抗力效应函数；

fd——材料强度设计值；

ad——几何参数设计值。

根据检算系数计算方法，在桥梁状况较好或仅存在轻微病害时，最终抗力会提高，考虑到该项目的特殊性和重要性，本次验算在桥梁不严重病害的情况下，不考虑检算系数，使计算结果偏保守，对于存在相对严重病害的桥梁，严格考虑检算系数或直接开展荷载试验进行验证，以确保万无一失。

3 荷载试验验证法

在结构设计时，材料参数取值等均留有一定的安全储备，若想检验桥梁结构实际承载能力，应通过荷载试验进一步评定[1]。荷载试验法不仅可以检查大型运输车辆是否可以通行，还可以观察结构裂缝的情况，对结构的安全储备情况也可以进行比较准确的评估。但评估起来比较复杂，往往需要大量的设备和仪器，交通中断的时间也比较短，而且实验的成本也比较高。

荷载试验判别法是指在对桥梁进行现场荷载试验后，通过理论和实测的比较结果，确立桥梁结构的实际工作模型，确定实际承载能力的一种方法。荷载试验一般由具有相关资质的桥梁检测部门依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》的有关条款，根据下面的公式可进行静载试验和动载荷试验，确定桥梁结构承载能力[2]。

式中：

ξ——静力载荷试验结构校验系数；

Se——实测弹性变位或主要测点在试验载荷作用下的应变值；

Ss——变位或主要测点在试验载荷作用下的理论计算的应变值。

判别标准为：

当ξ≤1.0时，大件运输车辆可以安全通行。

当ξ＞1.0 时，大件运输车辆不能安全通行，桥梁承载力达不到要求，需通过时应对桥梁进行加固处理。

动载试验是用来判定桥梁的动力特性，评定桥梁的抗荷载能力等，是通过汽车在桥上的行驶、制动、跳车试验等方式进行激振荷载，利用专业设备，测量得到桥梁结构的动力特性，包括频率、振幅等，并将试验得到的结果与桥梁模型理论计算值或规范中的规定值进行比较，判断桥梁的承载能力，通过试验得到的大桥实际运营状态的确定态[1]。

结合静载试验、动载试验结果，可以综合评价桥梁承载性能。荷载试验判别法特点鲜明，能准确直观的得到桥梁有关的信息，结果可靠，但是荷载试验法工作量较大，不能代替其他方法，可以作为一种得到桥梁信息的方法或承载能力评定等方法的补充。

桥梁承载性能可结合静载试验和动载试验结果进行综合评定。荷载试验判别法具有鲜明的特点，能准确直观地得出桥梁相关信息，其结果可靠。缺点是工作量较大，不能替代其他方法，但作为其他评估方法的补充。

4 工程实例

以夹金山隧道TBM 设备运输保障为例，比较三种评估方法的使用条件。该设备采用二纵列8 轴线液压平板车运输，最大单件重量148吨，车货总重206吨。运输路线途径四川境内国道G350 和G351，共计小桥15 座、中桥16座、大桥8座。

4.1 活载效应对比

以G350（中国熊猫大道）中心桩号为K915+780的关门沟1 号小桥为例，该桥上部结构为整体现浇板，跨径组合为1×8m 梁板长8m、净跨6m、梁板高0.5m。未搜集到该桥的竣工图纸。经进一步查证，该桥的设计荷载为公路-Ⅱ级（04 标准）[3]，所以该桥通过活载效应对比法进行通过性评估，活载效应对比结果如表1。

表1 关门沟1号小桥活载效应对比计算结果

4.2 极限承载力验算

以G350 中心桩号为K880+027 的渔子溪1 号大桥为例，该桥梁上部结构为预应力混凝土T梁，跨径组合9×30m。上部结构采用C50混凝土，铺装采用8cm混凝土及9cm沥青铺装。采用Midas Civil进行桥梁承载能力验算。计算模型示意图见图1。

图1 30mT梁计算模型示意图

荷载组合按1.2 恒载+1.1 活载作用进行组合[5-6]；结构重要性系数γ0取1.1；大件车按沿结构中线行驶进行布载。验算结果如表2。

表2 渔子溪1号桥承载能力验算结果

4.3 荷载试验

以渔子溪1 号大桥为例，试验共计采用5 辆400kN的载重汽车，分三级加载，满载后持荷至变形稳定。采用一级卸载，卸载后继续进行观察至结构稳定。各级加载效率系数如表3所示。

表3 分级加载试验效率系数

表5 控制截面残余应变

表6 跨中截面各测点挠度测试结果

表7 跨中截面残余挠度测试结果

表8 试验桥跨横向增大系数

加载工况车辆加载位置通过影响线布载确定，以使工况试验效率系数达到规范要求，如图2。

图2 第3级加载车辆布置图（单位：cm）

试验结果分析：

⑴应变测试结果：实测控制截面应变值小于理论计算应变值；校验系数为0.65～0.77，试验桥跨梁体强度满足规范要求。

⑵残余应变：控制截面各测点的相对残余应变均小于20%，结构在试验荷载作用下处于良好的弹性工作状态。

⑶挠度测试：实测控制截面挠度值小于理论计算值，校验系数为0.64～0.76，试验桥跨结构刚度满足规范要求。

⑷残余挠度：跨截面各测点的相对残余挠度小于20%，结构在试验荷载作用下处于良好的弹性工作状态。

⑸挠度横向增大系数

结构荷载分布不均的程度体现在主要测点控制荷载工况下横向增加系数ξ上。其数值越小，表示荷载横向分布越均匀，横向联系结构的可靠性越高；这一数值越大，说明荷载横向分布越不均匀，横向联系结构就越薄弱。

横向增大系数按下式计算：

式中：

Semax——实测位移（或应变）最大值；

Sˉ——横向各测点实测位移（或应变）平均值。

实测横向增大系数均与理论横向增大系数较吻合，说明结构的荷载横向分布均匀，且梁体间横向联系构造可靠。

综上所述，渔子溪1 号大桥目前的承载能力、结构强度和刚度满足TBM大件设备运输要求。

5 方法比较

通过总结上述案例工程，得到活载效应对比、承载能力验算、荷载试验的适用范围，如表9所示：

表9 评估方法适用桥梁汇总

综合三种方法的优点可采取以下流程图(图3)进行桥梁通过性评估：

图3 评估流程框图

6 结语

活载效应对比法适用于中小跨径梁桥、图纸资料缺失的桥梁；极限承载能力验算法适用于大跨径梁桥、拱桥、活载效应对比不通过的桥梁；荷载试验验证法适用于活载效应对比不通过且图纸资料缺失的桥梁、极限承载能力验算不通过的桥梁、存在一定程度病害无法准确评判承载力的桥梁；实际工程应综合三种方法的优点后进行桥梁通过性评估。