公路橋梁大件運輸車輛控制軸載研究

王文濤，周斌，張亞軍

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏交通建設股份有限公司，寧夏 銀川 750004；3.寧夏道路養護工程技術研究中心，寧夏 銀川 750004）

0 引言

隨著我國大型、重型貨物量越來越多，運輸車輛噸位不斷增加，對大件運輸行業提出越來越高的要求。與此同時，因為大件運輸造成的公路、橋梁及附屬設施的損壞逐年遞增，甚至威脅到車輛及行人安全，故有必要對大件運輸車輛通過橋梁的安全性展開研究。在以往研究中，主要通過對比大件運輸車輛荷載效應與設計荷載效應[1]或結構抗力，來判斷大件運輸車輛能否安全通過橋梁；也有一些研究通過統計超載車輛并進行分類，提出關于超重車的橋梁限載標準[2]，但對于大件運輸車輛控制軸載的研究較少。本文通過調查分析大件運輸車輛相關信息，探索關于大件運輸車輛的裝配式簡支梁橋及連續梁橋的最大軸載，為大件運輸車輛過橋的安全評估提供參考。

1 大件運輸定義

大件運輸通常指配送運輸尺寸或重量超限的大型貨物運輸。所謂大型貨物一般指重量、尺寸上符合《道路大型物件運輸管理辦法》規定之一的物品：①長度、寬度、高度滿足以下條件之一的貨物：長度大于14m、寬度大于3.5m、高度大于3m；②重量超過20t的單件貨物或不可拆卸、分解的貨物。運輸大型貨物的車輛通常被稱為大件運輸車輛，其選擇與大型貨物的尺寸和重量息息相關。從廣義上講，大件運輸也屬于超限運輸，大件運輸車輛也就屬于超限運輸車輛，交通運輸部頒發的《超限運輸車輛行駛公路管理規定》[3]分別從車貨高度、寬度、長度及總重4個方面對超限運輸車輛的判定給出了相關規定?！豆窐蚝B護規范》（JTG H11—2004）[4]對超限運輸車輛在橋梁上的通行作出了相關限制：①無特殊情況下，超限車輛應沿橋梁中線行駛；②超限車輛通行速度應小于5km/h；③超限車輛在無突發事故的情況下不得在橋梁上變速、制動或停留；④在一些必要的情況下，需調節超限運輸車輛的牽引車與掛車的間距，使其分別通過橋梁；⑤在超限運輸車輛通過橋梁期間，可禁止其他車輛及行人通行。

2 大件運輸車模型分析

常見大件運輸車輛一般由兩部分組成，即牽引車和掛車車組。牽引車在大件運輸的過程中主要負責提供動力，其選擇一般根據公路等級、道路條件、車組重量及氣候條件等因素，計算車組所需牽引力來定。掛車組在大件運輸過程中主要負責載運大件運輸貨物設備等，一般可分為3類：平板掛車、凹式掛車、長貨掛車，通常根據貨物類型及道路情況來選擇采用何種掛車組形式。平板掛車的行駛機動性能好，可根據貨物情況調整掛車軸距、軸數，適用于運輸不太長的集重型貨物、設備等；凹式掛車因為可通過降低載貨平臺通過一些限高路段，適用于較高的貨物或通行路段有限高的大件運輸；長貨掛車因為可通過轉動裝置實現運輸路線中較小半徑下的轉彎，適用于運輸超長且剛度和強度足夠大的大件貨物。

國內大件運輸車輛主要采用多軸多輪的液壓平板車，因其軸數較多且可以通過增加軸數來降低軸載，從而滿足限載的要求，通過性好。通過對國內液壓平板車調查發現，大件運輸車輛掛車軸重主要集中在11～20t，軸距在1.4～1.8m（多用1.55m）。牽引車基本只提供牽引力，大件貨物的重量并不會影響牽引車的軸重。通過調查并綜合考慮，大件運輸車輛荷載模型中牽引車的軸重取8t+12t+12t、軸距分布取3.8m+1.4m，牽引車和掛車組間距取3.15m，掛車組車輪間距取1.55m。將平板車的軸重定義為p，則大件運輸車荷載模型示意如圖1所示。

圖1 大件運輸車荷載模型示意圖

3 相關參數取值

3.1 橫向分布系數取值

我國公路橋梁主要以裝配式板橋或梁橋為主。對于大件運輸荷載計算，為了便于分析、提高效率，往往采用荷載橫向分布系數分析單梁模型。荷載橫向分布系數指道路車輛荷載在橋梁橫向主梁之間分布的百分比，具體與各主梁間的聯結方式（鉸接或剛性接連接）、有無內橫梁（及其數量）、截面抗彎剛度和抗扭剛度，以及車輛荷載的布載位置等有關。不同橋型的設計構造和施工特點等方面各有不同，空心板梁橋主要通過鉸縫連接，而組合箱梁則通過現澆濕接縫連接并在梁端設置有橫向連接，組合T梁不僅通過濕接縫連接，在主梁梁端和跨中等位置還都設有橫隔梁，具有較好的整體性。

荷載橫向分布系數計算是橋梁檢算中一項重要內容，其目的是將由多片梁組成通過橫向聯系傳遞荷載的空間結構問題轉換成簡單的平面問題。不同的橋梁結構往往使用不同類型的橫向連接。為了使荷載橫向分布計算更加精確，需要針對不同的橋梁結構和位置采用不同類型的簡化計算方式。常用的荷載橫向分布系數計算方法有以下幾種：杠桿原理法、剛性橫梁法、橫向鉸接板（梁）法、剛接梁法、比擬正交異性板法（G-M法）及有限元空間梁格法等。

3.2 荷載分項系數取值

在橋梁結構設計計算中，荷載分項系數是反映荷載的不確定性、保證結構可靠性的關鍵值。大型、重型車輛荷載分項系數并沒有確切的取值，一些學者通過可靠度的方法對大件運輸荷載分項系數進行了研究，如何愛德[5]利用可靠度理論，求得特重車分析系數取值；李智斌[6]考慮選擇低于規范目標可靠度指標的方法，分別計算得到一類橋、二類橋及三類橋的荷載分項系數值?！豆窐蚝O計通用規范》（JTG D60—2004）[7]規定公路上超過《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》（GB 1589—2004）[8]要求的車輛應進行承載能力極限狀態驗算，此時荷載汽車分項系數取1.1。

3.3 沖擊系數取值

沖擊系數是橋梁結構設計計算中汽車荷載的一個重要參數，在《公路橋涵設計通用規范》89版和04版、15版[9]規范中，關于沖擊系數的計算分別采用了2種不同的方法。在89版規范中，認為沖擊系數μ是關于跨徑L的函數，規定：當L≤5m時，μ=0.30；當L≥45m時，μ=0；當跨徑L在5～45m之間時，沖擊系數μ采用內插的方法求得。在2004版、2015版[9]規范中，認為沖擊系數μ是關于橋梁基頻f的函數，具體規定：當f＜1.5Hz時，μ=0.05；當f在1.5～14Hz之間時，μ=0.1767lnf-0.0157；當f＞14Hz時，μ=0.45。但按相關規定大件運輸車輛在過橋時，車速不能超過5km/h，并且不得在橋上制動、變速或停留。因此，在大件運輸橋梁承載能力極限狀態驗算時不計入沖擊系數，即μ=0。

4 控制軸載標準的確定

承載能力極限狀態指當結構或構件達到最大承載能力或不適于繼續承載變形時的狀態。關于大件運輸車輛荷載的橋梁承載能力極限狀態驗算前提是保障橋梁、大件運輸車輛及貨物安全通過，因此將承載能力極限狀態作為大件運輸的限載標準，即將橋梁結構所受到的荷載最不利組合與橋梁抗力進行比較。但隨著交通運輸行業的飛速發展，汽車荷載快速增加，使得橋梁承擔的交通量逐年攀升，加之受外部環境因素等的影響，導致橋梁結構承載能力有所下降。因此，按照相關規范對橋梁的承載能力進行折減更符合橋梁的實際情況，《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）[10]明確給出折減后的橋梁承載能力極限狀態計算公式，即主要通過引入承載能力檢算系數Z1、承載能力惡化系數ξe、配筋混凝土結構截面折減系數ξc及鋼筋截面折減系數ξs，對橋梁結構承載能力進行相應的折減。橋梁折減后的承載能力極限狀態計算公式為：

式（1）中：S為大件運輸荷載組合下的效應函數；R(·)為抗力效應函數。

橋梁關于大件運輸車輛荷載的控制軸載標準是基于橋梁承載能力極限狀態，通過對比橋梁在大件運輸荷載作用下產生的效應與結構抗力，得到大件運輸荷載最大控制軸載。參考實際荷載計算方法，在橋梁承載能力極限狀態下的大件運輸荷載控制標準為：

當限載系數λ≤1時，表明承載能力滿足荷載要求，結構安全；當λ＞1時，表明承載能力不滿足荷載要求，可能會對結構造成損傷，應該進行荷載試驗等進一步確定?，F以不同后輪軸數的大件運輸車輛分別通行跨徑為16m簡支梁橋和25m連續梁橋為例，對控制軸載標準進行說明，其中橋梁信息來自橋梁通用圖紙，相關計算均采用Midas Civil橋梁分析軟件。

4.1 16m預應力混凝土簡支空心板

標準跨徑：16m；梁高0.85m；預應力混凝土簡支空心板。此空心板梁橋根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規范》（JTG D62—2004）設計，即設計荷載為：公路-Ⅰ級；設計安全等級為：一級。16m預應力混凝土簡支空心板梁橋的典型橫斷面如圖2所示。

圖2 16m空心板梁橋典型橫斷面

通過在橋梁結構上逐級加載的方法，計算不同軸重直至達到16m空心板梁橋承載能力極限狀態時的最大軸重即為控制軸載，如表1和圖3所示。

表1 大件運輸荷載組合效應

圖3 16m空心板梁橋控制軸載

通過表1、圖3對比不同后輪軸數大件運輸車輛荷載控制軸載可以發現，隨著大件運輸車輛后輪軸數的增加，16m預應力混凝土簡支空心板橋梁的控制軸載逐漸減??；當大件運輸車輛后輪軸數達到9時，超過了空心板梁橋的計算跨徑，所以大件運輸車后輪軸數大于或等于9的控制軸載不變，即16m簡支空心板梁橋關于大件運輸車輛最低控制軸載為55t，故當軸重低于55t的大件運輸車輛通過時，應予以示警。

4.2 25m先簡支后連續A類部分預應力混凝土連續箱梁

標準跨徑：25m；梁高1.42m；先簡支后連續預應力混凝土箱梁；此箱梁橋根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規范》（JTG D62—2004）設計，即設計荷載：公路-Ⅰ級；設計安全等級：一級。其典型橫斷面如圖4所示。

圖4 25m裝配式箱梁橋典型橫斷面

通過在橋梁結構上逐級加載的方法，計算不同軸重直至達到25m先簡支后連續預應力混凝土箱梁橋承載能力極限狀態時的最大軸重，如表2和圖5所示。通過對比不同后輪軸數大件運輸車輛荷載控制軸載可以發現，隨著大件運輸車輛后輪軸數的增加，25m先簡支后連續預應力混凝土箱梁橋的控制軸載逐漸降低；當大件運輸車后輪軸數達到16時，超過了空心板梁橋的計算跨徑，故大件運輸車后輪軸數≥16的控制軸載不變，即25m先簡支后連續箱梁橋關于大件運輸車輛的最低軸載為53t。因此，當有軸重接近或超過軸重53t的車輛通過時，應予以示警。

表2 （續）

圖5 25m裝配式箱梁橋控制軸載

表2 大件運輸荷載組合效應

5 結語

本文以承載能力極限狀態為限載標準，求得不同后輪軸數大件運輸荷載分別作用于16m預應力混凝土簡支空心板梁橋和25m先簡支后連續梁橋上的最大軸載限制，給出了按規范沿中線行駛的大件運輸車輛通行橋梁時的最大軸載限制。此外，因為計算橋梁按一類橋梁計算，但橋梁在經過一段時間的使用后承載能力往往會出現下降的情況，所以橋梁的控制軸載應隨著橋梁承載能力的變化而做出相應的調整。