重型装备公路桥梁通过性问题探索_何丽.pdf

2023年第1期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）No.1 2023 总第392期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.392 收稿日期：2020-03-03；修回日期：2020-04-01 文章编号：2097-1974(2023)01-0074-06 DOI：10.7654/j.issn.2097-1974.20230115 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）摘要：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。关键词：重型装备；桥梁；承载能力；通过性 中图分类号：TJ089 文献标识码：A Inquiry into the Problem of Road Bridges 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)Abstract: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.Key words:heavy equipment;bridge;bearing capacity;passability 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。何 丽等 重型装备公路桥梁通过性问题探索 75第1期 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/m 3、4 5、6 8、10 13、16 20 4 1.0 4.5 4 1.25 4.5 5 1.0 6.0 5 1.25 6.0 6 1.0 6.0 7 1.0 7 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、16 20、25 30、35 40 3 2.2 4.5 4 1.6/2.2 4.5 3 2.5 6.0 4 1.6 6.0 5 1.6/2.2 6.0 4 2.2/2.5 7.0 5 2.2 7.0 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、201424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 50 1 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-80 1 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-100 1 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-120 1 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级、公路级表示，2003 版标准中的公路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2013321 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 公路级、公路级 或汽车-超 20 级 55 14 汽车-20 级 30 13 汽车-15 级 20 13 汽车-10 级 15 10 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 t5，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 导 弹 与 航 天 运 载 技 术（中英文）2023年 76 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。vbmaxcmaxvbmaxcmaxMMQQ （1）式中 vbmaxM、vbmaxQ为重型装备通过桥梁时的验算弯矩和验算剪力，按式（2）、式（3）计算；cmaxM、cmaxQ为按标准给出的荷载通过桥梁时的验算弯矩和验算剪力，按式（4）、式（5）计算。vbmaxfvbmaxMk M=（2）vbmaxmfvbmaxQk k Q=（3）cmaxfcmax1fcmax2max(,)Mk k Mk k M=（4）cmaxmfcmax1mfcmax2max(,)Qk k k Qk k k Q=（5）式中 vbmaxM，vbmaxQ为重型装备通过桥梁过程中，桥梁承受的最大弯矩和最大剪力；cmax1M，cmax1Q为按计算荷载通过桥梁过程中，桥梁承受的最大弯矩和最大剪力；cmax2M，cmax2Q为按验算荷载，桥梁承受的最大弯矩和最大剪力；为荷载横向分布系数，由车辆轮距、简支梁/板的截面参数决定；fk为荷载作用分项系数，对验算荷载取 1.1，计算荷载取 1.48，重型装备的荷载模式与验算荷载类似，取 1.1；k为荷载冲击系数+1，冲击系数的取值详见第 3.4 节。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 Fig.1 Part of the Axle is on the Bridge 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 Fig.2 All the Axle are on the Bridge 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