第１５卷第９期 军事交通学院学报 ＶｌｌＩ．１５ ＮＩＪ．９ ２０１３年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｌｉｔｍｙ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｓｅｐｔｅｉｒｌ１）ｅｒ ２０ｌ３ ●国防交通Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｒａｆｉｃ ｆ中小跨度桥梁重装备通过性快速检测评估研究 陈晓华 ，李海超 ，刘锡鑫 （１．军事交通学院研究生管理大队，天津３００１６１；２．军事交通学院国防交通系，天津３００１６１） 摘 要：从分析中小跨度桥梁重装备通过性研究的必要性入手，提出了对于正常运营的桥梁，采用 比较重装备荷载与设计荷载产生的跨中弯矩和梁端剪力的方案评估重装备的通过性；对于危旧桥 梁，以挠跨比为评估参数，通过小荷载试验与仿真试验相结合的方法，判定桥梁的重装备通过能力； 对于受突发事件影响的桥梁，通过动力试验与挠跨比评估相结合的方式，评估桥梁的重装备通过 性。 关键词：中小跨度桥梁；重装备；仿真试验；小荷载试验；挠跨比；动力试验 中图分类号：Ｕ４４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—２１９２（２０１３）０９—００１０—０５ Ｒａｐｉｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＴｒａｆｆｉｃａｂＵｉｔｙ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｎ Ｓｍａｌｌ ａｎｄ Ｍｅｄｉｕｍ——ｓｐａｎ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｈｕａ ，Ｌｉ Ｈａｉｃｈａｏ ，Ｌｉｕ Ｘｉｘｉｎ （１．Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｂｒｉｇａｄｅ，Ｍｉｌｉｔａｒｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｍｉｌｉｔａｒｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｆｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｏｆｆ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｓ ａｇａｉｎｓｔ ３ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｆｏｒ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅｓ，ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉ］ｉｔｙ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｄ—ｓｐａｎ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ａｎｄ ｂｅａｍ ｅｎｄ ｓｈｅａｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｌｎａｄ；ｆｏｒ ｄｉｌａｐｉｄａｔｅｄ ｂｒｉｄｇｅｓ，ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｆｆｉｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ—ｔｏ—ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ ｐｒｏｇｒａｍ；ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｅｍｅｒｇｅｎｃｉｅｓ，ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｆｉｃａｂｉｆｌｉｔｙ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ—ｔｏ—ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｄｅｅｐｅｎｉｎｇ ｔｈｉｓ ｉｓｓｕｅ ｓｔｕｄｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ—ｓｐａｎ ｂｒｉｄｇｅ；ｈｅａｖｙ—ｄｕｔｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｍａｌｌ ｌｏａｄ ｔｅｓｔ；ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ—ｈ）一 ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ；ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｓｔ 公路桥梁是公路道路上的重要关卡，其通过 能力直接影响到公路道路的保障能力。据交通部 公路科学研究院统计资料，截至２００７年底，我国 １ １ ５０２座／２７０ ２３４ ｍ、临时性桥梁６ ２９８座／ １２６ ３５７ ｍ 。公路桥梁中混凝土桥梁Ｌ 到＿ｒ ９０％以上，其中中小跨度桥梁又占到混凝士桥梁 共有公路桥梁５７０ ０１６座／２３ １９１ ８１２ ｍ，其中永久 性桥梁５５２ ２１６座／２２ ７９５ ２２２ Ｉｌｌ、半永久性桥梁 的绝大多数。而２０１０年的中国交通年鉴 示，截 止２０１０年底，我国共有公路桥梁６５８ １ ２６座／ 收稿日期：２０１２—０９—２７；修回日期：２０１３一Ｏ１—０８． 基金项目：军队科研计划项目． 作者简介：陈晓华（１９８８一李海超（Ｉ９６９一），男，硕士研究生； ），女，硕士，副教授，硕士研究生导师 ２０１３年９月 陈晓华等：中小跨度桥梁重装备通过性快速检测评估研究 ３０ ４８３ ０９４ ｍ，但其中危桥９３ ５２５ Ｉ￣ｘ／２ ６１３ ３３４ ｍ 。 桥梁结构安全性如不能得到完全保障，将危机人 民生命财产安全和国家经济建设的顺利进行，同 时也制约着我军机动路径的选择。 近年来我军重装备发展势头迅猛，重装备轴 重以及总重不断增大；同时，随着我军使命任务的 调整，重装备的机动性也呈现出越来越频繁的趋 势，公路桥梁的承载能力直接关系到重装备的快 速机动能力，成为影响重装备性能发挥的关键因 素。因此，中小跨度桥梁的重装备通过性保障能 力已成为制约公路交通保障的关键环节，必须研 究适用于我军重装备通过性的中小跨度桥梁承载 能力评估方法和手段。 目前，对于既有桥梁承载能力的评定，国内外 都投入大量的人力和物力进行研究，针对不同桥 梁的特点，出现了多种评定方法，主要包括调查比 较法、分析计算法、荷载试验法等。其中，荷载试 验法又分为静载试验法和动载试验法。但是，这 些检测评估方法普遍存在检测项目繁多、分析计 算繁琐、检测评估耗时较长等缺陷，不能适应中小 跨度桥梁重装备通过性的快速评定。因此，研究 适用于我军重装备通过性的桥梁承载能力快速检 测评估方法就显得十分必要和紧迫。 １ 正常运营桥梁的重装备通过性评 估 我国公路桥梁中大部分为正常运营的桥梁， 对处于正常运营状态的桥梁，检测评估思路：计算 重装备在桥梁中产生的结构响应（如跨中弯矩和 梁端剪力），与设计承载力所产生的结构响应进行 对比，确定桥梁的重装备通过性。 １．１ 重装备荷载在桥梁上产生的结构响应 作为移动荷载，当重装备在桥梁上移动时，会 产生最大的跨中弯矩和梁端剪力，对应的重装备 所处桥上位置是最不利荷载位置。首先，确定重 装备荷载在中小跨径桥梁上的最不利荷载位置， 再据此计算出重装备在中小跨径桥梁产生的最大 跨中弯矩和梁端剪力，即重装备荷载在桥梁上产 生的结构响应。 １．２确定桥梁的设计承载力 在《公路工程设计标准》（ＪＴＪ００１－－８１）中，将 公路桥梁的荷载等级分为汽一８级、汽一１０级、 汽一１３级、汽一１５级、拖一３Ｏ级、履一５０级、 拖一６Ｏ级、挂一８０级，大量既有桥梁按照这个设 计规范设计建造。为检验按某级荷载标准设计的 桥梁能否承受重装备的作用，按照该荷载等级计 算桥梁产生的跨中弯矩和梁端剪力，与重装备产 生的结构响应进行比较，便可判定桥梁的重装备 通过性。 在现行规范《公路工程设计标准》（ＪＴＧＢ０１— ２００３）中，将公路桥梁荷载等级分为公路一Ｉ级和 公路一Ⅱ级 ｊ，在每个荷载等级中，计算桥梁在某 荷载等级作用下的跨中弯矩和梁端剪力时使用的汽 车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，车道荷载又由 均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采 用车道荷载，桥梁结构的局部加载，涵洞、桥台和挡 土墙土压力等的计算采用车辆荷载，车道荷载与车 辆荷载的作用不得叠加。所以分别采用车辆荷载与 车道荷载计算桥梁内力，经过比较取大者为控制值。 将控制值与重装备在桥梁上产生的跨中弯矩、梁端 剪力进行比较，便可判定桥梁的重装备通过性。其 总体评估思路流程如图１所示。 统计重装备的荷载信息 采集桥粱的计算跨度和 （包括轴重、轴距等） 设计荷载等级，车道数等信息 １ ， １ ｒ 计算重装备产生的荷载效应： 计算桥梁在设计荷载等级下产生的 最大跨中弯矩和梁端剪力 结构抗力，即跨中弯矩和梁端剪力 一 得出桥梁的重装备 通过性结论 图１ 正常运营桥梁的重装备通过性评估流程 ２ 危旧桥梁重装备通过性仿真评估 ２．１ 理论分析 对于公路中存在的大量危旧桥梁，采用敏感 参数挠跨比作为桥梁重装备通过性的评估依据。 １２ 军事交通学院学报 第１５巷第９期 公路混凝土桥梁是按照承载能力和正常使用２种 极限状态指标设计的，相应地，桥梁承载能力状况 评估指标也有材料应力水平等承载能力极限状态 通过设计资料或者现场无损检测获得桥梁的 几何尺寸、混凝土强度、钢筋保护层厚度等信息； 根据这些信息通过大型结构化有限元程序ＡＮＳＹＳ 建立桥梁的初始有限元模型；开展现场小荷载试 验，测量桥梁的挠度，对有限元模型施加相同荷 指标和挠度、裂缝等正常使用极限状态指标２种。 对于一座在役桥梁而言，挠跨比（正常使用极限状 态指标）与应力水平（承载能力极限状态指标）在 本质上是一致的。因此，对于中小跨径混凝土梁 载，通过修正有限元模型的配筋率，使仿真计算挠 度与现场小荷载试验检测挠度吻合；对修正后的 有限元模型施加重装备荷载，仿真试验得到待评 估桥梁在重装备荷载作用下的挠跨比；将重装备 荷载作用下的挠跨比与设计荷载计算下的挠跨比 进行比较，得出待评估桥梁的重装备通过性结沦。 其总体评估思路流程如图２所示。 式桥，通过分析其在荷载作用下的挠跨比可以较 好地反映桥梁承载能力状况 』。另外，挠度检测 相对应力检测更为简单，选择挠度作为主要检测 参数更易于实现快速检测与评估ｕ５ Ｊ。 ２．２ 危旧桥梁的检测评估技术路线 调查收集待评估桥梁设计资料，利用检测 车荷载进行静力荷载试验 是 现场快速检测桥梁外观及儿何尺寸、混凝土性能 配筋情况（主钢筋位置分布） 利用参数化建模技术快速建立桥梁初始有限丁ｃ模型 （预设敏感参数：截面抗弯刚度日） 在桥梁有限元简化模型上施加标准检测车 荷载进行模拟试验 通过渊整配筋情况 修Ｊｌ：模型截面刚度 ————１——一 标准检测车荷载加戟工 Ｆ，模拟试 验的挠度值与现场实测值是否一致 否 确定配筋情况及截面抗弯刚度Ｂ 完成对桥梁有限元模ｌ刑的修正 加载重装备荷戟进行模拟试验，确定 莺装备作用Ｆ待 Ｆ估桥梁的挠跨比 结合挠跨比评估标准，判断桥梁是否满足莺装备通过性要求 图２ 危ｌ１３桥梁的重装备通过性快速检测评估流程 根据部颁图纸，已分别建立普通板梁、预应 力板梁、预应力Ｔ梁、箱梁的有限元模型，依据 现场小荷载试验的挠度检测结果，修止卡』Ｊ始柯 限元模型，然后施加重装备荷载和设计荷载，分 ２０１３年９月 陈晓华等：中小跨度桥梁重装备通过性快速检测评估研究 别计算待评估桥梁的挠跨比。其中普通１０ ｍ 板梁的有限元模型以及变形云图分别如图３、图 ４所示。 图３普通１０ ｍ板梁的有限元模型 图４普通１０ ｍ板梁竖向变形云图 经过工程实例验证，对于满足挠跨比评估标 准的桥梁达到了桥梁的重装备通过性指标。以挠 跨比为评估指标的仿真检测评估方法可以快速、 准确地评估危旧桥梁的重装备通过性，满足军事 适用性需求。 ３ 突发事件影响的桥梁重装备通过 性评估 ３．１理论分析 近年来，我国频发地震、泥石流等自然灾害， 对桥梁造成了相当程度的破坏；同时，现代战争高 技术兵器对桥梁也构成越来越严重的威胁。这些 突发事件的发生，造成桥梁的通过能力不同程度 降低，重装备通过这类桥梁前，必须对这些桥梁的 通过性进行检测评估。对于突发事件影响的桥 梁，由于破坏机理复杂，损伤形式多样，往往对桥 梁的上部结构和下部结构都会造成损伤，垂向和 横向状态指标难以确定。挠跨比评估标准对于桥 梁梁部结构的垂向刚度指标可以做出很好的评 价，但难以对桥梁的下部结构和横向状态进行评 估。单纯采用挠跨比评估标准，不能对桥梁的结 构损伤做出全面的评估。而采用仿真分析与动力 试验相结合的方式可以快速准确地判断桥梁的结 构状态改变，较全面地评估桥梁的结构完好性，但 对桥梁梁体刚度评估性较差。所以，对于因突发 事件影响桥梁的重装备通过性评估，宜采用两者 结合的方式进行。 桥梁结构动力性能的一些参量，如固有频率、 阻尼比、振型、动力冲击系数以及动力响应的大 小，是宏观评价桥梁结构的整体刚度、运营性能的 重要指标，也是一些规范评价桥梁安全运营性能 的主要尺度。桥梁结构的动力特性反映了结构的 整体刚度、桥面的平整程度及耗散外部振动能量 输入的能力 Ｊ。因此，可以将桥梁动力特性模态 参数和动力响应作为评估桥梁结构完好性的参 数，判定重装备的通过性。 ３．２动力性能评估方法 根据设计资料或者现场无损检测获得桥梁的 几何尺寸、混凝土强度、桥梁配筋状况等信息；根 据这些数据建立桥梁的原始有限元模型；对原始 有限元模型施加激励，获得桥梁的理论动力特性 模态参数（频率和振型等）；开展现场动力试验，获 得桥梁的实际动力特性模态参数；通过比较理论 动力特性模态参数和实际动力特性模态参数，评 估桥梁的结构完好性。 ３．３检测评估技术路线 应用动力性能评估方法，评估桥梁的结构完 好性，对于结构体系发生变化的桥梁则不能通行 重装备；对于满足结构完好性标准的桥梁，按照危 旧桥梁的检测思路，采用挠跨比评估方法进行重 装备通过性评估，满足挠跨比评估标准的桥梁方 可通行重装备，即达到重装备通过性标准。 受突发事件影响，桥梁的重装备通过性快速 检测评估流程如图５所示。对于因突发事件影响 的桥梁，采取动力特性评估和挠跨比评估相结合 的方式可以快速、全面、准确地评估桥梁的重装备 通过性，达到预期目的。 １４ 军事交通学院学报 第１５卷第９驯 图５ 受突发事件影响桥梁的重装备通过性快速检测评估流程 ｆ Ｊ／ＯＬ］．１ ２０１２—０８—２０］．ｈｔｔ｝， ４ 结 语 分析了进行中小跨度桥梁重装备通过性研究 的必要性，针对３种技术状况的桥梁，分别制定了 不同的评估方案：对于处于正常运营状况的桥梁， ｅｄｌ ｄ２ｄ１ ｅｆｃ４ｆｆｅ４７３３６８ａｂ７ｄ．ｈｔｍ１． ［２］ 交通部．中国交通年鉴２０１０［Ｍ］ 北京：中阁交通年 ｛ ２０ｌ１ ［３］ 交通部．Ｊ＇ｌ ＧＢ０１—２００３公路１ 程技术标准ｆ ｓ 北』ｊ ：人 民交通出版社，２００４． 扣装 ［４］ 刘锡鑫，李海超，常春伟，等．中小跨径混凝土梁式桥 ‘采取比较重装备荷载所产生的桥梁结构响应和设 计荷载所产生的桥梁结构响应的方法评估桥梁的 重装备通过性；对于危旧桥梁，采取挠跨比评估标 备通过性快速检测评估技术研究［Ｊ］．军事交通学院学报， ２０１２，１４（３）：９—１４． ［５］ 陈开利，王邦楣，林亚超．桥梁鉴定与加固手册『Ｍ．北京：人民交通出版社，２００５：１，１２５—１２９，８７６—８９８． Ｋ ［６］ 冯庆华．Ｔ形刚构桥的静动力检测技术试验研究ｆＤ］春：吉林大学，２００９：３４． 准对桥梁的重装备通过性作出判断；对于因突发 事件影响的桥梁，则采用动力性能评估和挠跨比 评估相结合的方式进行评估。理论分析该方案满 足快速性、可靠性等军事需求，对于课题的深化研 究，具有一定的指导意义。 （编辑： 唬 １ 参考文献： ［１］ 张劲泉．我国公路桥梁检测评价与加固技术的现状与发展