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摘要：现行公路桥梁设计规范主要针对普通汽车荷载作用，但当桥梁需要承载超重车荷载时，则需要进行专门的设计和成桥验证，以确定桥梁结构的使用安全性能。以某需要承受1010吨超重车的多跨装配式混凝土连续梁为例，建立了有限元分析模型，与设计荷载进行了对比分析，提出了合适的成桥加载试验方法，以满足成桥试验的要求，为该类超重车桥梁的成桥检测提出了思路。
关键词：桥梁；超重车；成桥试验；有限元分析
Abstract：The current highway bridge design specification is aimed at the regular car loads. However，when the extra heavy-loaded vehicles is designed for the bridges，it is necessary for special design and validation into the bridges，in order to determine the useful and the safety performance of the bridge structure. A prefabricated concrete continuous girder bridge that need to bearing more than 1010 tons of extra heavy-loaded vehicles is taken as an example，and the finite element analysis model was established to compare with the design load. This paper proposed a suitable bridge load test method，in order to meet the requirements of the completed bridge load test. For the class extra heavy-loaded vehicles bridge into the bridge detection is put forward in this paper.
Keywords：bridge；extra heavy-loaded vehicles；bridge test；finite element analysis
1.引 言
桥梁主体结构施工完成以后，在正式通车之前都要求进行成桥荷载试验，成桥荷载试验是对已建桥梁工程的实际工作性能进行测试的一种有效试验手段[1，2]。成桥试验时一般先利用等效荷载作用来激发结构产生变位或动力响应，再采用相应的仪器测得桥梁结构关键截面位置处的应力、应变、位移及加速度等数据，从而对桥梁工程承载力和安全可靠性进行评估。由此可见，进行成桥试验对于全面分析掌握已建桥梁工程结构的工作性能是非常重要的工作[3，4]。
近年来，随着我国经济现代化发展，由于精度要求或保密要求较高，很多大型、超大型设备、以及一些重点工程的关键核心部件，都需要在室内工作封装完成，然后再运往现场进行拼装，要运输这些封装完成的大型设备，则需要采用大型的运载装置，也就是超重车辆。然而，在运送这些构件的过程中，现在的道路和桥梁工程都会处于来重超载的情况。桥梁长期承受超重车的作用，会造成结构长期的使用性能和耐久性退化，逐步导致损伤累积，影响结构安全运营，缩短桥梁寿命[5，6]。因此，如何对超重车作用下的桥梁进行荷载试验和评估，直接关系到桥梁结构的安全性。，
本文以某预预应力混凝土桥梁为例，其验算荷载为德国索埃勒特种车辆（满载承载重量约1010吨）。该桥为属于典型的城市宽幅整体式桥梁，一方面利用横向分配系数按平面杆系单梁模型进行计算时，无法准备把握每一片梁的实际受力情况；另一方面1010吨特殊荷载作用折算下来，相当比公路-Ⅰ级大了好几倍，桥梁结构的承载能力和安全性是否能满足要求，都需要进行仔细地核实，本文将以此为工程背景然对其合理的试验加载方案进行分析。
2.工况背景
算例桥梁是为预应力混凝土斜梁桥，斜交角为75°。全桥共3联12孔，全长366m，孔径布置：（4×30）+（4×30）+（4×30）。桥梁上部结构采用先简支后结构连续结构，桥梁跨度均为30m，桥面总宽度为27m。施工时先安装预制T梁，浇筑T梁横向湿接缝砼，使上部结构横桥向形成整体，然后现浇结构连续段砼形成结构连续。按全预应力构件进行设计，全桥宽24.5m，设计速度80公里/小时。采用桥面连续结构，铺装层为：10cm沥青混凝土+8cm现浇钢筋混凝土，桥面全宽27.0m，。T梁高2.3m，跨中腹板厚20cm，支座处腹板厚60cm，中梁预制翼板宽170cm，边梁预制翼板宽20cm。大桥立面、平面和横断面布置情况，如图1所示。
4.移动荷载加载对比分析
尽管算例桥梁在设计时的计算荷载为公路-Ⅰ级荷载，但该桥在设计文件中规定的的验算荷载为1010吨。首先将验算荷载的计算结果与设计荷载的结果及规范容许值进行对比分析，在各项参数计算结果满足要求的情况下，再进行静力荷载加载数量和加载载位的计算。图.4 为桥梁在公路-Ⅰ级汽车荷载和1010t特殊荷载作用下的主梁上、下缘应力和变形的计算结果，由图可知，1010t特殊荷载作用下的主梁计算结果要远大于公路-Ⅰ级荷载的计算结果。
根据前面的分析结果可知，该桥的边跨和中跨的跨中截面为最不利的截面位置，因此，提取边跨跨中和中跨跨中位置的计算结果，汇总如下表1：
（注：应力单位MPa，变形单位mm，“-”表示压应力或向下变形，“+”表示拉应力或向上变表；）
由上表可知，T梁在施工过程以及成桥以后，其边跨和中跨跨中截面的顶底板均有一定的压应力储备，不会开裂。在公路-Ⅰ级设计荷载作用下边跨下缘会有2.3MPa的拉应力，最大挠度为3.1mm；中跨下缘会产生2.0MPa的拉应力，最大挠度为2.4mm；而在特殊荷载作用下，边跨下缘会产生9.9MPa的拉应力，最大挠度为17.5mm；中跨下缘会产生7.78MPa的拉应力，最大挠度为13.6mm；由此可见，特殊荷载作用下主梁的拉应力和挠度都远远大于公路-Ⅰ级荷载作用下产生的拉应力和挠度（约4-5倍）。综上所述，相比公路-Ⅰ级荷载作用而言，该桥梁的1010吨验算荷载产生的作用效应更为不利，因此，试验荷载应根据验算荷载来等代。
5.特殊荷载试验加载方案
5.1 加载影响线和加载效率系数
根据桥梁结构的特点，拟定该桥的两个主要加载静载试验工况分别为：（1）边跨最大弯矩工况；（2）中跨最大弯矩工况。由于特种荷载高达1010吨，而可供使用的混凝土条形块有限，根据作用效应等效的原则，在做试验加载方案可以根据最不利截面影响线进行集中加载，两个主要试验工况对应的加载影响线如图5所示。
5.2 混凝土条石加载方案
由前面的移动荷载加载对比分析可知，2010t特种荷载的加载范围会布满整个30m的桥跨，采用普通车辆进行加载，难以满足静载试验荷载效率系数的要求，因此，本文拟采用条形混凝土块作为试验荷载进行方案设计。根据实际情况，可供使用的条形混凝土块分两种尺寸，即A型与B型，A型混凝土块尺寸55 cm×55 cm×500cm，每块5.2吨，共98块；B型混凝土块尺寸45cm×45 cm ×500 cm，每块3.3吨，共52块。可供使用的混凝土条形块有限，根据作用效应等效的原则，在做试验加载方案可根据最不利影响线进行集中加载，两个试验工况对应的加载方案的条石布置如图5所示。
由图可知，两个加载方案除了位置不同之处，条石布置形式完全一样。由于98块5.2吨的条石和52块3.3吨的条石的总重为681吨。条石总重仅为特性荷载重的67.4%，如果完全均匀分布，则很难满足荷载效率系统的要求，因此，在制定加载试验方案时，条石尽量向影响线最大的位置靠拢。但同时考试加载层数太高会给试验过程带来危险，因此，本试验方案采用金字塔形的加载方案，即越靠近中部加载的层数越多，图6中条中的A和B表示条形混凝土块的类型，数字则表示加载的层数。按图6进行加载可得到两个试验工况的静载试验荷载效率系数分别为0.96和1.04，均介于0.95～1.05之间，均满足要求，可见本设计方案是可行的。
图6 最大正弯矩工况加载方案图
6.结论
本文以需要通过1010吨特殊车辆的预预应力混凝土桥梁为例，对其合理的成桥试验加载方案进行了分析的探讨，主要得到以下结论：
（1）T梁在施工过程以及成桥以后，边跨和中跨的跨中截面顶底板均有一定的压应力储备，不会开裂。特殊荷载作用下主梁的拉应力和挠度都远远大于公路-Ⅰ级荷载作用下产生的拉应力和挠度（约4-5倍）。因此试验荷载应根据验算荷载来等代。
（2）按传统的30-40吨的汽车车辆进行加载，难以满足荷载效率系数的要求，因此本文提出采用条形混凝土块作为试验荷载进行方案，并建议试验中按金字塔形进行逐级加载，最终到的两种试验工况的荷载效率系数分别为0.96和1.04，均介于0.95～1.05之间，均满足要求，可见本设计方案是可行的。
参考文献：
[1]张俊平. 桥梁检测[M]. 北京：人民交通出版社，2002．
[2]宣纪明，沈福兴. 桥梁检测技术研究及工程运用[J]. 桥梁建设，2007（s1）：158-160.
[3]潘松林，张红阳. 公路桥梁检测概述[J]. 城市道桥与防洪，2003（5）：5-8.
[4]李建波. 公路桥梁检测中荷载试验的应用[J]. 工程建设与设计，2011（8）：137-140.
[5]李德月. 超重车运输中桥梁承载能力的评估[J]. 华东公路，2001（2）：7-8.
[6]李快，王秋芬，李季. 重型车辆下桥梁适应性安全检测与评估[J]. 城市道桥与防洪，2014（7）：163-165.
论文作者:危春华,李文,任烨超,贺进
论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/16
标签：荷载论文; 桥梁论文; 加载论文; 应力论文; 挠度论文; 混凝土论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第2期论文;