公路桥梁大件运输车辆控制轴载研究

王文涛，周斌，张亚军

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；
2.宁夏交通建设股份有限公司，宁夏 银川 750004；
3.宁夏道路养护工程技术研究中心，宁夏 银川 750004）

随着我国大型、重型货物量越来越多，运输车辆吨位不断增加，对大件运输行业提出越来越高的要求。与此同时，因为大件运输造成的公路、桥梁及附属设施的损坏逐年递增，甚至威胁到车辆及行人安全，故有必要对大件运输车辆通过桥梁的安全性展开研究。在以往研究中，主要通过对比大件运输车辆荷载效应与设计荷载效应[1]或结构抗力，来判断大件运输车辆能否安全通过桥梁；
也有一些研究通过统计超载车辆并进行分类，提出关于超重车的桥梁限载标准[2]，但对于大件运输车辆控制轴载的研究较少。本文通过调查分析大件运输车辆相关信息，探索关于大件运输车辆的装配式简支梁桥及连续梁桥的最大轴载，为大件运输车辆过桥的安全评估提供参考。

大件运输通常指配送运输尺寸或重量超限的大型货物运输。所谓大型货物一般指重量、尺寸上符合《道路大型物件运输管理办法》规定之一的物品：①长度、宽度、高度满足以下条件之一的货物：长度大于14m、宽度大于3.5m、高度大于3m；
②重量超过20t的单件货物或不可拆卸、分解的货物。运输大型货物的车辆通常被称为大件运输车辆，其选择与大型货物的尺寸和重量息息相关。从广义上讲，大件运输也属于超限运输，大件运输车辆也就属于超限运输车辆，交通运输部颁发的《超限运输车辆行驶公路管理规定》[3]分别从车货高度、宽度、长度及总重4个方面对超限运输车辆的判定给出了相关规定。《公路桥涵养护规范》（JTG H11—2004）[4]对超限运输车辆在桥梁上的通行作出了相关限制：①无特殊情况下，超限车辆应沿桥梁中线行驶；
②超限车辆通行速度应小于5km/h；
③超限车辆在无突发事故的情况下不得在桥梁上变速、制动或停留；
④在一些必要的情况下，需调节超限运输车辆的牵引车与挂车的间距，使其分别通过桥梁；
⑤在超限运输车辆通过桥梁期间，可禁止其他车辆及行人通行。

常见大件运输车辆一般由两部分组成，即牵引车和挂车车组。牵引车在大件运输的过程中主要负责提供动力，其选择一般根据公路等级、道路条件、车组重量及气候条件等因素，计算车组所需牵引力来定。挂车组在大件运输过程中主要负责载运大件运输货物设备等，一般可分为3类：平板挂车、凹式挂车、长货挂车，通常根据货物类型及道路情况来选择采用何种挂车组形式。平板挂车的行驶机动性能好，可根据货物情况调整挂车轴距、轴数，适用于运输不太长的集重型货物、设备等；
凹式挂车因为可通过降低载货平台通过一些限高路段，适用于较高的货物或通行路段有限高的大件运输；
长货挂车因为可通过转动装置实现运输路线中较小半径下的转弯，适用于运输超长且刚度和强度足够大的大件货物。

国内大件运输车辆主要采用多轴多轮的液压平板车，因其轴数较多且可以通过增加轴数来降低轴载，从而满足限载的要求，通过性好。通过对国内液压平板车调查发现，大件运输车辆挂车轴重主要集中在11～20t，轴距在1.4～1.8m（多用1.55m）。牵引车基本只提供牵引力，大件货物的重量并不会影响牵引车的轴重。通过调查并综合考虑，大件运输车辆荷载模型中牵引车的轴重取8t+12t+12t、轴距分布取3.8m+1.4m，牵引车和挂车组间距取3.15m，挂车组车轮间距取1.55m。将平板车的轴重定义为p，则大件运输车荷载模型示意如图1所示。

图1 大件运输车荷载模型示意图

3.1 横向分布系数取值

我国公路桥梁主要以装配式板桥或梁桥为主。对于大件运输荷载计算，为了便于分析、提高效率，往往采用荷载横向分布系数分析单梁模型。荷载横向分布系数指道路车辆荷载在桥梁横向主梁之间分布的百分比，具体与各主梁间的联结方式（铰接或刚性接连接）、有无内横梁（及其数量）、截面抗弯刚度和抗扭刚度，以及车辆荷载的布载位置等有关。不同桥型的设计构造和施工特点等方面各有不同，空心板梁桥主要通过铰缝连接，而组合箱梁则通过现浇湿接缝连接并在梁端设置有横向连接，组合T梁不仅通过湿接缝连接，在主梁梁端和跨中等位置还都设有横隔梁，具有较好的整体性。

荷载横向分布系数计算是桥梁检算中一项重要内容，其目的是将由多片梁组成通过横向联系传递荷载的空间结构问题转换成简单的平面问题。不同的桥梁结构往往使用不同类型的横向连接。为了使荷载横向分布计算更加精确，需要针对不同的桥梁结构和位置采用不同类型的简化计算方式。常用的荷载横向分布系数计算方法有以下几种：杠杆原理法、刚性横梁法、横向铰接板（梁）法、刚接梁法、比拟正交异性板法（G-M法）及有限元空间梁格法等。

3.2 荷载分项系数取值

在桥梁结构设计计算中，荷载分项系数是反映荷载的不确定性、保证结构可靠性的关键值。大型、重型车辆荷载分项系数并没有确切的取值，一些学者通过可靠度的方法对大件运输荷载分项系数进行了研究，如何爱德[5]利用可靠度理论，求得特重车分析系数取值；
李智斌[6]考虑选择低于规范目标可靠度指标的方法，分别计算得到一类桥、二类桥及三类桥的荷载分项系数值。《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）[7]规定公路上超过《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》（GB 1589—2004）[8]要求的车辆应进行承载能力极限状态验算，此时荷载汽车分项系数取1.1。

3.3 冲击系数取值

冲击系数是桥梁结构设计计算中汽车荷载的一个重要参数，在《公路桥涵设计通用规范》89版和04版、15版[9]规范中，关于冲击系数的计算分别采用了2种不同的方法。在89版规范中，认为冲击系数μ是关于跨径L的函数，规定：当L≤5m时，μ=0.30；
当L≥45m时，μ=0；
当跨径L在5～45m之间时，冲击系数μ采用内插的方法求得。在2004版、2015版[9]规范中，认为冲击系数μ是关于桥梁基频f的函数，具体规定：当f＜1.5Hz时，μ=0.05；
当f在1.5～14Hz之间时，μ=0.1767lnf-0.0157；
当f＞14Hz时，μ=0.45。但按相关规定大件运输车辆在过桥时，车速不能超过5km/h，并且不得在桥上制动、变速或停留。因此，在大件运输桥梁承载能力极限状态验算时不计入冲击系数，即μ=0。

承载能力极限状态指当结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载变形时的状态。关于大件运输车辆荷载的桥梁承载能力极限状态验算前提是保障桥梁、大件运输车辆及货物安全通过，因此将承载能力极限状态作为大件运输的限载标准，即将桥梁结构所受到的荷载最不利组合与桥梁抗力进行比较。但随着交通运输行业的飞速发展，汽车荷载快速增加，使得桥梁承担的交通量逐年攀升，加之受外部环境因素等的影响，导致桥梁结构承载能力有所下降。因此，按照相关规范对桥梁的承载能力进行折减更符合桥梁的实际情况，《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）[10]明确给出折减后的桥梁承载能力极限状态计算公式，即主要通过引入承载能力检算系数Z1、承载能力恶化系数ξe、配筋混凝土结构截面折减系数ξc及钢筋截面折减系数ξs，对桥梁结构承载能力进行相应的折减。桥梁折减后的承载能力极限状态计算公式为：

式（1）中：S为大件运输荷载组合下的效应函数；
R(·)为抗力效应函数。

桥梁关于大件运输车辆荷载的控制轴载标准是基于桥梁承载能力极限状态，通过对比桥梁在大件运输荷载作用下产生的效应与结构抗力，得到大件运输荷载最大控制轴载。参考实际荷载计算方法，在桥梁承载能力极限状态下的大件运输荷载控制标准为：

当限载系数λ≤1时，表明承载能力满足荷载要求，结构安全；
当λ＞1时，表明承载能力不满足荷载要求，可能会对结构造成损伤，应该进行荷载试验等进一步确定。现以不同后轮轴数的大件运输车辆分别通行跨径为16m简支梁桥和25m连续梁桥为例，对控制轴载标准进行说明，其中桥梁信息来自桥梁通用图纸，相关计算均采用Midas Civil桥梁分析软件。

4.1 16m预应力混凝土简支空心板

标准跨径：16m；
梁高0.85m；
预应力混凝土简支空心板。此空心板梁桥根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》（JTG D62—2004）设计，即设计荷载为：公路-Ⅰ级；
设计安全等级为：一级。16m预应力混凝土简支空心板梁桥的典型横断面如图2所示。

图2 16m空心板梁桥典型横断面

通过在桥梁结构上逐级加载的方法，计算不同轴重直至达到16m空心板梁桥承载能力极限状态时的最大轴重即为控制轴载，如表1和图3所示。

表1 大件运输荷载组合效应

图3 16m空心板梁桥控制轴载

通过表1、图3对比不同后轮轴数大件运输车辆荷载控制轴载可以发现，随着大件运输车辆后轮轴数的增加，16m预应力混凝土简支空心板桥梁的控制轴载逐渐减小；
当大件运输车辆后轮轴数达到9时，超过了空心板梁桥的计算跨径，所以大件运输车后轮轴数大于或等于9的控制轴载不变，即16m简支空心板梁桥关于大件运输车辆最低控制轴载为55t，故当轴重低于55t的大件运输车辆通过时，应予以示警。

4.2 25m先简支后连续A类部分预应力混凝土连续箱梁

标准跨径：25m；
梁高1.42m；
先简支后连续预应力混凝土箱梁；
此箱梁桥根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》（JTG D62—2004）设计，即设计荷载：公路-Ⅰ级；
设计安全等级：一级。其典型横断面如图4所示。

图4 25m装配式箱梁桥典型横断面

通过在桥梁结构上逐级加载的方法，计算不同轴重直至达到25m先简支后连续预应力混凝土箱梁桥承载能力极限状态时的最大轴重，如表2和图5所示。通过对比不同后轮轴数大件运输车辆荷载控制轴载可以发现，随着大件运输车辆后轮轴数的增加，25m先简支后连续预应力混凝土箱梁桥的控制轴载逐渐降低；
当大件运输车后轮轴数达到16时，超过了空心板梁桥的计算跨径，故大件运输车后轮轴数≥16的控制轴载不变，即25m先简支后连续箱梁桥关于大件运输车辆的最低轴载为53t。因此，当有轴重接近或超过轴重53t的车辆通过时，应予以示警。

表2 （续）

图5 25m装配式箱梁桥控制轴载

表2 大件运输荷载组合效应

本文以承载能力极限状态为限载标准，求得不同后轮轴数大件运输荷载分别作用于16m预应力混凝土简支空心板梁桥和25m先简支后连续梁桥上的最大轴载限制，给出了按规范沿中线行驶的大件运输车辆通行桥梁时的最大轴载限制。此外，因为计算桥梁按一类桥梁计算，但桥梁在经过一段时间的使用后承载能力往往会出现下降的情况，所以桥梁的控制轴载应随着桥梁承载能力的变化而做出相应的调整。

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