重载车辆荷载对已建中小跨径梁桥的影响分析

1 前言

近年来，我国在交通量增长的同时，公路货运车辆呈现向更多轴数发展的态势，车辆载重随之增加。此外，高速公路车辆超限运输普遍存在[1]，额定8～10t的车辆经改装后，实际载重可达 40～50t，单轴载达到了 15～20t。 超限车辆中，以个体运输车辆居多，又以运输建材、煤炭等大宗货物的车辆超限最为严重[2]。超限运输对该类梁桥的危害较大，主要体现桥梁在早期阶段出现各种结构裂缝、结构承载能力降低、影响桥梁通行、引起桥梁垮塌、造成人员伤亡和财产损失等方面[3]。

关于超限车辆对中小跨径梁桥结构受力影响的研究方面，林益恭[4]通过对广东5条高速公路的车辆调查对结构承载能力进行分析，大部分桥梁结构在超载车流作用下拉应力大于规范限值，且承载能力未能达到应有的安全储备。OBrien E.J.[5]考虑车重、轴距、路面粗糙程度和桥梁跨径等因素，基于实测车辆数据并采用蒙特卡洛法模拟生成交通荷载，计算中小跨径桥梁在最不利汽车荷载作用下的空间响应。刘为公[6]认为重载交通不会立即导致桥梁结构的破坏，但长期作用下必然对其安全和耐久性能构成潜在威胁。党栋、贺拴海[7-8]通过车辆调查数据建立荷载模型，比照随机车流与现行规范标准值分别作用下桥梁的荷载效应极值，广深高速、河北某收费站测点和深港大桥调查得到的车辆荷载分别是公路-I级荷载效应的3倍、1.6～2.0倍和1.0倍，说明规范荷载与调查路段实际运营的车辆荷载在某些地域并不匹配。许肇峰[9]基于广东省5条高速的数据建立符合实际交通运营状况的车辆模型，实测车辆荷载作用下的活荷载效应约为04规范设计荷载的1.4倍，且随着桥梁计算跨径的减小，活载与设计荷载的比值增大。

综上所述，国内外学者从不同角度分析得到实际运营车辆荷载与现行规范的标准汽车荷载间的关系，但由于我国各区域发展水平及货运需求存在差异，各路段的货运车辆呈现截然不同的荷载特征，因此，针对具有重载交通特性的高速公路，分析既有桥梁的运营车辆荷载，对比公路桥涵设计验算荷载与重载车辆荷载对中小跨径梁桥荷载效应的影响，为重载交通地区的桥梁设计提供数据参考，以确保高速公路的安全运营具有重要意义。

为此，本文基于动态称重法得到的某高速公路改扩建工程重载交通车辆荷载模型，建立已建中小跨径混凝土简支梁桥有限元模型，对比分析重载车辆荷载与89规范汽车-超20荷载对各跨径梁桥的荷载效应，得到重载车辆相对于89规范汽车-超20荷载的弯矩、剪力和挠度的效应提高系数，分析重载交通对已建梁桥的影响。

2 工程概况

某高速公路改扩建工程，遵循“老桥老标准，新桥新标准”和尽量利用原桥涵的原则进行既有桥梁加固和新建桥梁的结构设计。新桥及扩建桥梁设计计算采用04规范公路-Ⅰ级荷载，为改善旧桥受力性能，加固设计主要包括桥面整体化铺装加固和铰缝改造等，设计活载为汽车-超20，验算荷载采用挂车-120。

对于T梁桥，原旧桥分别根据《公路桥涵设计图-装配式钢筋混凝土T型梁》（JTGQS 025-1984）中跨径20m的钢筋混凝土T梁标准图和《公路桥涵设计图-装配式预应力混凝土简支梁》（JTGQS 024-1983）中跨径25m，30m，35m和40m的预应力混凝土T型梁标准图建造。上部结构均采用5片梁，桥面宽度10.98m，主梁间距2.20m，预制梁高分别为1.5m，1.75m，2.0m，2.25m和2.5m，桥面铺装采用8cm的200号混凝土与4cm沥青混凝土。由于旧T梁桥服役状况良好，因此，拼宽前未进行加固。

绿化树种以刺柏、祁连圆柏、洒金柏、千头柏、侩柏、侧柏、青海云杉等常青树品种，栽植密度3.5-4.5m，树形以自然树形或通过修剪将树冠修剪成一定造型，提升观赏效果和绿化档次。

为分析重载车辆荷载对已建中小跨径梁桥荷载效应的影响程度，分别提取重载车辆（计入冲击系数）与恒荷载作用下中小跨径梁桥的单项荷载效应数据，见图8。

图1 跨径10m及13m空心板加固改造后横断面图

图2 跨径16m及20m空心板加固改造后横断面图

对于空心板旧桥，采取整体化铺装层加固，即通过增加桥面铺装混凝土厚度，加强铺装层内横向钢筋，增加铰缝钢筋等措施提高梁体承载力，减小结构应力与变形[10-11]。对于跨径为10m、13m的钢筋混凝土空心板，先将原来的桥面铺装拆除，采取种植钢筋的方式，铺设厚度为22cm的钢筋混凝土桥面铺装，铺装内布设两层钢筋网，最后在22cm厚的钢筋混凝土桥面铺装上面铺设厚度为10cm的沥青铺装 （见图1）；对于跨径为16m、20m的预应力混凝土空心板，加固的方式为采取种植钢筋的方式，铺设厚度为12cm的钢筋混凝土桥面铺装，在12cm厚的钢筋混凝土桥面铺装上面再铺设厚度为10cm的沥青铺装（见图2）；上部梁板与新增钢筋混凝土桥面通过种植钢筋的方式相连形成整体，共同受力，改善了板梁的横向分布。

3 重载交通与89通规中汽车荷载的规定

永久作用考虑结构自重、二期恒载、预应力荷载和混凝土10年收缩和徐变作用。其中，单侧墙式防撞护栏重量取值为8.5kN/m，混凝土铺装层容重取25kN/m3，沥青混凝土铺装层容重取24kN/m3。活载主要考虑汽车荷载和竖向温度梯度，其中，桥面车道依据最不利布载原则采用双车道偏载布置，竖向温度梯度按规范取值。

1.1 对象 2008年1月—2010年12月在我院行髂腹股沟淋巴清扫术的阴茎癌患者56例(共111个腹股沟手术区)。患者的中位年龄为51岁(20～79岁)，其中，术前行新辅助放疗2例，行新辅助化疗10例;吸烟者17例，酗酒者2例;糖尿病患者4例。16例患者的体质指数(BMI)超过25。

《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-1989）中汽车荷载以车队表示，其中最大荷载等级为汽车－超20，由一辆总重55t的五轴车和若干辆总重20t的双轴车组成[2]，车队布置见图6。

图3 主车模型

图4 重车模型

图5 重载交通下的汽车车队纵向排列

图6 89规范中汽车－超20荷载图

4 有限元计算模型

行为改造型激励理论是认为外部环境对人的行为有着重要的影响，激励的目的是为了改造和修正人的行为方式。主要有强化理论、归因理论和挫折理论等。

以某高速公路的车辆为调查对象，采用动态称重法对实地交通流量及轴载进行长时间调查，运用数理统计与概率方法对该路段的车辆荷载特征进行统计分析，确定了车辆的概率分布并得到重载车辆荷载模型。其中，主车模型（1+1轴型的2轴货车）和重车模型（1+2+3轴型的6轴货车）分别示于图3和图4，所组成重载交通下的汽车车队纵向排列示于图5。

具体修正方法：将F分解成沿着偏心距e方向的径向分力Fe和沿垂直于偏心距方向的切向分力Fs；同理，将Fl沿相同的两个方向分解成Fle和Fls；然后计算两个方向合力的算术平方根Ftot：

5 荷载效应对比分析

5.1 重载车辆荷载与恒荷载效应对比

项目教学由于工作量大，一般采取小组合作形式进行，由此经常会出现基础差、依赖心理强的同学不能真正学会。所以教师在项目实施时要充分考虑学生能力差异，做好分工指导以及过程监督，尽量让每个学生都能掌握课程重点；在关键环节可以提供“温馨提示”或“贴心技巧”，帮助学生在项目中攻克课程难点获得成就感。

在重载车辆荷载和89规范汽车-超20的偏载作用下，主桥上部结构边梁的荷载效应对比如图10。可以看出，中小跨径梁桥在移动荷载作用下的内力与挠度均呈现出随着跨径增大而增大的趋势，且重载车辆荷载的作用效应均大于89规范汽车-超20的荷载效应。

图7 部分已建梁桥有限元模型

图8 重载交通与恒荷载作用下边梁静力效应对比

图9 重载车辆荷载与恒荷载的效应比值

5.2 重载车辆荷载与89规范汽车-超20荷载效应对比

荷载效应比值（重载车辆荷载/恒荷载）随跨径的变化趋势见图9，从图9中可以看出：对于空心板桥，重载车辆对10m跨径的空心板桥作用效应为恒荷载作用效应的1.74～2.29倍，当跨径增大到20m时，效应比值下降至0.71～0.81；对于T型梁桥，重载车辆对20m跨径的 T型梁桥作用效应为恒荷载作用效应的1.19～1.63倍，当跨径增大到40m时，效应比值下降至0.72～0.76；从总体上看，梁桥的跨径越小，移动荷载与恒荷载的比值越大，超限车辆对结构承载能力的影响越显著。

运用桥梁专业软件MIDAS/Civil建立经整体化铺装改造的简支空心板和简支T梁旧桥空间有限元模型，部分有限元模型见图7。建模方法采用梁格法，桥梁空间梁格体系由结构纵梁和不计自重的虚拟横梁组成，T梁桥还在端部、L/4、L/2位置处设置了横隔板。主梁与支座、主梁顶面与整体化铺装混凝土之间的边界条件采用弹性连接中的刚性连接进行模拟，永久支座采用一般支承模拟。

将89规范汽车-超20的荷载效应与重载车辆荷载效应进行对比，如图11所示。重载车辆荷载作用下各跨径梁桥荷载效应与89规范汽车-超20荷载的效应比值均大于1，且呈现随跨径的减小而逐渐增大的趋势；对于10m至40m跨径的简支梁桥，重载车辆作用产生的挠度、弯矩、剪力效应分别为89规范汽车-超20荷载效应的1.22～1.44 倍、1.28～1.49 倍和 1.14～1.32 倍，按最不利设计考虑可近似取1.45倍、1.50倍和1.35倍；对具有该重载交通特性的简支梁桥进行结构维修养护以及加固设计时，重载车辆作用产生的效应可保守地按89规范汽车-超20荷载作用效应的1.50倍取值。

图10 已建中小跨径梁桥在移动荷载作用下的边梁静力效应对比（计入冲击）

图11 重载车辆荷载与汽车-超20荷载效应比值

6 桥梁承载能力极限状态验算

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）对加固后旧桥承载能力进行验算。计算结果如图12所示。从验算结果可知：（1）在重载车辆作用下，各跨径梁桥的斜截面抗剪承载力满足要求，经整体化铺装加固的10～20m空心板和跨径为40m的T梁正截面抗弯承载力满足要求，而跨径为20～35m的T梁桥计算弯矩略大于承载能力；（2）各跨径梁桥的承载能力富余程度随着桥梁跨径的增大而增大，且抗剪承载力富余量大于抗弯承载力。

图12 各跨径梁桥承载能力验算结果

7 结论

（1）对于空心板桥，重载车辆对10m跨径的空心板桥作用效应为恒荷载作用效应的1.74～2.29倍，当跨径增大到20m时，效应比值下降至0.71～0.81；对于T型梁桥，重载车辆对20m跨径的T型梁桥作用效应为恒荷载作用效应的1.19～1.63倍，当跨径增大到40m时，效应比值下降至0.72～0.76。因此，梁桥的跨径越小，重载交通荷载与恒荷载效应的比值越大，超限车辆对结构承载能力的影响越显著。

（2）重载车辆荷载作用下各跨径梁桥荷载效应与89规范汽车-超20荷载的效应比值呈现随跨径的减小而逐渐增大的趋势；对于10m至40m跨径的已建简支梁桥，重载车辆作用产生的挠度、弯矩、剪力效应分别为89规范汽车-超 20荷载效应的1.22～1.44倍、1.28～1.49倍和1.14～1.32倍，按最不利设计考虑可近似取1.45倍、1.50倍和1.35倍。因此，对具有该重载交通特性的简支梁桥进行结构维修养护以及加固设计时，重载车辆作用产生的效应可保守地按89规范汽车-超20荷载作用效应的1.50倍取值。

（3）对各跨径梁桥的承载能力验算结果表明，重载车辆作用下，各跨径梁桥的斜截面抗剪承载力满足要求，经整体化铺装加固的10～20m空心板和跨径为40m T梁正截面抗弯承载力满足要求，而跨径为20～35m的T梁桥计算弯矩略大于承载能力。

参考文献

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