袁陽光，周廣利，高文博，韓萬水，王 濤，王俊峰

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西，西安 710055；2. 山東省交通科學(xué)研究院，山東，濟(jì)南 250102；3. 港珠澳大橋管理局，廣東，珠海 519060；4. 長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西，西安 710064)

大件運輸車輛是用于大體積、不可拆解貨物長距離轉(zhuǎn)運的特殊運載車輛，包括幾何尺寸超限與車質(zhì)量超限 2種類型。根據(jù)陜西省2012年?2015年 3年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，大件運輸車輛通行次數(shù)達(dá)到119 625輛，車質(zhì)量超限14 094輛。大件運輸車輛在助力國家重點項目建設(shè)的同時，對沿線公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理、性能保持等提出了更高的要求，與常規(guī)卡車相比，質(zhì)量超限大件運輸車輛荷載水平更高且往往因重大項目建設(shè)剛性需求而擁有強(qiáng)制通行屬性。鑒于超載車輛對沿線公路橋梁所構(gòu)成的潛在威脅，質(zhì)量超限大件運輸車輛成為了通行審批工作中的難點，該類車輛的快速審批授權(quán)亦成為了社會關(guān)注的焦點問題[1]。在交通強(qiáng)國與智慧交通戰(zhàn)略背景之下，迫切需要通過智能化大件運輸車輛過橋評估管理系統(tǒng)的建立來滿足大批量通行許可申請的快速處理，該類智能管理系統(tǒng)研發(fā)涉及兩個關(guān)鍵任務(wù)，即車輛可通行性判定及如何讓不具備通行權(quán)車輛具備通行資格。兩個關(guān)鍵任務(wù)的解決須立足于構(gòu)建合理的大件運輸車輛過橋評估方法。

受大件運輸車輛通行審批需求驅(qū)動，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)結(jié)合不同省份的工程實踐，參考現(xiàn)行橋梁技術(shù)規(guī)范，對大件運輸車輛過橋的可通行性判定及相關(guān)開展流程進(jìn)行了研究[2?3]。然而，評估過程中普遍采用應(yīng)力檢算、裂縫寬度檢算、荷載試驗評定等技術(shù)手段，導(dǎo)致所形成的評估流程耗時繁瑣，無法滿足大批量、快速審批的工作要求，無法為大件運輸智能評估管理系統(tǒng)的建立形成有效支撐。在國外，研究人員借助可靠度理論建立了適用于大件運輸車輛的荷載及抗力系數(shù)評估方法(LRFR)[4?6]。但與國內(nèi)學(xué)者開展的相關(guān)研究類似，評估方法主要集中于橋梁關(guān)鍵構(gòu)件的安全性。

然而，從橋梁結(jié)構(gòu)長壽命健康運營的角度考慮，大件運輸車輛過橋通行審批時，可通行性判據(jù)不應(yīng)僅僅局限于通行過程的承載能力極限狀態(tài)安全性，尚應(yīng)考慮正常使用極限狀態(tài)要求，即車輛在通過橋梁之后不應(yīng)由于遺留正常使用性能問題而造成結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命的明顯縮短[7]。現(xiàn)有相關(guān)研究已經(jīng)指出，正常使用極限狀態(tài)失效事件發(fā)生頻率更高且該類事件所導(dǎo)致的養(yǎng)護(hù)干預(yù)行為占據(jù)了結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)成本支出的主體部分[8?9]。國內(nèi)外學(xué)者在大件運輸車輛過橋評估實踐中，提出了如下式所示的荷載效應(yīng)比較法[10]：

式中，SCTV、n、SD分別為大件運輸車輛荷載效應(yīng)、臨界荷載效應(yīng)比值及設(shè)計汽車荷載效應(yīng)。在國內(nèi)工程實踐中，n最為常見的取值為1.0。在國外，式(1)被用于大件運輸車輛快速評估系統(tǒng)的建立[11?12]。截至目前，正常使用性能要求的內(nèi)涵及相關(guān)理論分析尚未在臨界荷載效應(yīng)比值n的取值過程中予以充分體現(xiàn)，導(dǎo)致當(dāng)前研究中n取值主觀性問題較為突出。近年來，橋梁結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)可靠度分析理論的發(fā)展及相關(guān)成果的積累為該問題的解決提供了可能[8,13 ? 15]。

迄今為止，能夠用于支撐大件運輸車輛智能評估管理系統(tǒng)構(gòu)建、且同時考慮安全性及正常使用性能要求的車輛過橋評估方法在國內(nèi)外研究中鮮見明確報道，以工程結(jié)構(gòu)可靠度理論為依托，通過大件運輸車載下橋梁關(guān)鍵構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)可靠度分析及正常使用極限狀態(tài)可靠度分析，對該問題進(jìn)行深入探索，不僅具有明顯的理論價值，同時具有廣闊的應(yīng)用前景。

在此，針對大件運輸車輛過橋智能評估管理系統(tǒng)建立所要面對的兩大問題，首先，基于可靠度理論形成大件運輸車輛過橋評估方法框架，包括安全性評估方法與正常使用性能評估方法；其次，選擇高速公路典型中小跨徑橋梁進(jìn)行案例分析；最后，在已有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，形成大件運輸車輛通行保障策略及實施流程。進(jìn)而為國內(nèi)大件運輸車輛智能評估管理系統(tǒng)的建立提供參考。

1 大件運輸車輛過橋評估方法框架

大件運輸車輛過橋評估應(yīng)重點關(guān)注設(shè)計活恒載比例較高、對活載較為敏感的中小跨徑橋梁[1]。在以往大件運輸車輛過橋評估工程實踐中，所關(guān)注的橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能包括抗彎性能、抗剪性能及變形性能等。然而，根據(jù)以往車輛荷載下梁式橋力學(xué)性能分析的相關(guān)成果及現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法現(xiàn)狀，中小跨徑梁式橋的抗剪性能因其對應(yīng)的脆性破壞模式，通常較抗彎性能具有更大的冗余度[2]。因此，在建立大件運輸車輛過橋評估方法框架時，重點關(guān)注橋梁的抗彎性能，在后續(xù)具體評估方法建立時，同時，給出抗剪承載力評估的考慮原則。

圖1給出了所構(gòu)建的大件運輸車輛過橋評估方法實施框架。根據(jù)圖1，在車輛可通行性判定時，首先應(yīng)當(dāng)保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確保車輛通行后關(guān)鍵構(gòu)件的正常使用性能?；诎踩约罢Ｊ褂眯阅芤蟮脑u估方法建立均基于可靠度理論。對于中小跨徑梁式結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵構(gòu)件安全性評估方法的評估式為：

式中： ηsafety為安全評估指標(biāo)，小于1.0時表示能夠滿足安全性要求； γ0、 γG,i、 γQCTV及 γR分別為重要性系數(shù)、第i項恒載效應(yīng)分項系數(shù)、大件運輸車輛荷載效應(yīng)分項系數(shù)及抗力分項系數(shù)；Gi,k、QCTV,k及Ra,k分別表示第i項恒載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值、大件運輸車輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值以及車輛通行時刻構(gòu)件抗力標(biāo)準(zhǔn)值，具體取值原則參見文獻(xiàn)[16]。需要指出，對于中小跨徑梁式橋，質(zhì)量超限大件運輸車輛通行過程中實施交通管制的困難性不大，故式(2)中活載部分僅考慮大件運輸車輛荷載效應(yīng)，各分項系數(shù)取值將在大件運輸車輛單次通行評估目標(biāo)可靠指標(biāo)取值分析的基礎(chǔ)上，通過校準(zhǔn)分析確定。

基于正常使用性能要求的評估方法采用臨界荷載效應(yīng)比值方法，車輛通行滿足正常使用性能要求對應(yīng)的條件為：

圖 1 大件運輸車輛過橋評估方法框架Fig.1 Method framework of bridge assessment under customized transportation vehicle

式中： ηserv為荷載效應(yīng)比值；Qdesign、 ηcritical分別為構(gòu)件的設(shè)計汽車荷載效應(yīng)及臨界荷載效應(yīng)比值。后續(xù)分析中，將通過正常使用極限狀態(tài)可靠度分析及目標(biāo)可靠指標(biāo)分析形成 ηcritical確定流程，具體而言，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，將分別以裂縫寬度及混凝土底緣拉應(yīng)力為特征指標(biāo)構(gòu)建正常使用極限狀態(tài)功能函數(shù)。

需要指出，圖1所示評估方法框架以大件運輸車輛單次通行、單次評估、單次授權(quán)為導(dǎo)向，未采用基于總體樣本分析的傳統(tǒng)車輛荷載評估實施思路，主要由于傳統(tǒng)思路無法兼顧大件運輸車輛荷載的個體特性、無法滿足單次通行授權(quán)評估工作需求，而在后續(xù)分析中，將引入荷載效應(yīng)變異系數(shù)對大件運輸車輛荷載隨機(jī)性進(jìn)行量化表征。

2 基于可靠度理論的關(guān)鍵構(gòu)件安全性評估方法

首先，基于可靠度理論建立大件運輸車載下橋梁關(guān)鍵構(gòu)件的安全性評估方法。大件運輸車載下橋梁結(jié)構(gòu)性能仿真及構(gòu)件荷載效應(yīng)計算已在筆者已有研究中通過車-橋耦合分析系統(tǒng)的建立予以解決[17?18]。本文重點探討安全評估目標(biāo)可靠指標(biāo)取值、構(gòu)件強(qiáng)度退化的考慮及分項系數(shù)的校準(zhǔn)。

2.1 安全性評估目標(biāo)可靠指標(biāo)

大件運輸車載對于橋梁結(jié)構(gòu)而言類似于一種偶然荷載，為確定其單次通行安全評估目標(biāo)可靠指標(biāo)，以1年為基準(zhǔn)時間單位，將一年內(nèi)通過橋梁的大件運輸車輛與正常交通荷載考慮為混合荷載序列，如圖2所示。

圖 2 大件運輸車輛與正常交通混合荷載序列Fig.2 Mixed load sequence by including customized transportation vehicle and normal traffic

記橋梁構(gòu)件運營階段的年目標(biāo)可靠指標(biāo)為βT,year，則對應(yīng)的年安全概率為：

記正常運營荷載下橋梁構(gòu)件的年目標(biāo)可靠指標(biāo)為 βyear，則正常運營荷載下橋梁構(gòu)件的年安全概率為：

若一年內(nèi)大件運輸車輛荷載的通行次數(shù)為AAT，且記大件運輸車輛單次通行目標(biāo)可靠指標(biāo)為 βT,safety，則在全年大件運輸車載下橋梁構(gòu)件的安全概率為：

根據(jù)：

得到：

需要指出，為排除荷載水平較低、幾何尺寸超限的大件運輸車輛對分析過程的干擾，式(8)中的AAT僅考慮質(zhì)量超限的大件運輸車輛。

文獻(xiàn)[16]通過考慮個體風(fēng)險準(zhǔn)則、社會風(fēng)險準(zhǔn)則、生活質(zhì)量指標(biāo)及總成本優(yōu)化分析等，建議評估基準(zhǔn)期為10年時，對安全等級一級、二級、三級的延性構(gòu)件，評估目標(biāo)可靠指標(biāo)分別取為3.37、3.13與2.85，進(jìn)一步根據(jù)不同時間尺度目標(biāo)可靠指標(biāo)的換算關(guān)系：

式中， βT,tref為任意基準(zhǔn)期tref對應(yīng)的評估目標(biāo)可靠指標(biāo)。對于一級、二級、三級延性破壞構(gòu)件，βT,year分別為3.96、3.75與3.52。

圖3(a)以一級構(gòu)件為例，給出了 βT,safety隨βyear的變化情況，可見當(dāng) βyear數(shù)值水平較小時，βT,safety隨 βyear的增大快速下降，當(dāng) βyear足夠大時，βT,safety逐漸趨于穩(wěn)定。關(guān)于 βyear的取值，考慮一般的情形，根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計基準(zhǔn)期目標(biāo)可靠指標(biāo)及式(4)推定設(shè)計年目標(biāo)可靠指標(biāo)，進(jìn)一步根據(jù)ISO 2394關(guān)于風(fēng)險事件量化的建議，運營階段容許失效概率可較設(shè)計階段高一個數(shù)量級，由此確定一級、二級、三級構(gòu)件 βyear分別為5.15、4.70及4.25[19?20]。圖3(b)給 出 了 βT,safety隨AAT的 變化，可見， βT,safety隨AAT的增大而增大，且增長率隨AAT的增大有所下降，該趨勢意味著如果大件運輸交通量較大，應(yīng)當(dāng)對評估方法適當(dāng)收緊。

圖 3 大件運輸車輛過橋安全評估目標(biāo)可靠指標(biāo)Fig.3 Target reliability index of bridge assessment under customized transportation vehicle

以上關(guān)于評估目標(biāo)可靠指標(biāo)的分析主要針對抗彎性能，對于抗剪承載力安全性，由于剪切破壞屬于脆性失效模式，故其安全評估目標(biāo)可靠指標(biāo)應(yīng)高于抗彎承載能力評估。式(4)～式(9)所對應(yīng)分析流程對于抗剪評估目標(biāo)可靠指標(biāo)選擇同樣適用。

2.2 構(gòu)件強(qiáng)度退化考慮

大件運輸車載下橋梁關(guān)鍵構(gòu)件的安全性評估必須考慮構(gòu)件的實際承載力水平。以《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTGT J21?2011)[21]評定結(jié)果作為構(gòu)件承載力標(biāo)準(zhǔn)值，以混凝土構(gòu)件為例：

式中：R(·) 為截面抗力效應(yīng)函數(shù)；fd為材料強(qiáng)度設(shè)計值；adc、ads分別表示混凝土幾何尺寸參數(shù)及鋼筋幾何尺寸參數(shù)； ξc、ξs、ξe分別表示混凝土截面折減系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)及承載力惡化系數(shù)；Z1表示承載力檢算系數(shù)。李鍵等[22]研究了橋梁技術(shù)狀況對大件運輸承載力的影響，參考其研究成果，表1給出了一類、二類、三類橋梁對應(yīng)的構(gòu)件截面承載力修正系數(shù)取值。

表 1 橋梁構(gòu)件安全評估分項系數(shù)建議值Table 1 Proposed partial factors for the safety assessment of bridge component

需要指出，構(gòu)件強(qiáng)度概率模型及退化過程本質(zhì)上屬于非平穩(wěn)過程，且反復(fù)大件運輸車輛荷載作用勢必對構(gòu)件強(qiáng)度退化規(guī)律造成影響，故在式(10)的基礎(chǔ)上，仍有必要通過對大件運輸車輛荷載反復(fù)作用的考慮，引入強(qiáng)度退化非平穩(wěn)模型，以提高安全評估結(jié)果精度。

2.3 分項系數(shù)校準(zhǔn)

分項系數(shù)校準(zhǔn)的目的是保證評估方法在應(yīng)用過程中具有統(tǒng)一的目標(biāo)安全水平。通常情況下，認(rèn)為恒載效應(yīng)隨機(jī)變量、大件運輸車輛荷載效應(yīng)隨機(jī)變量服從正態(tài)分布，抗力隨機(jī)變量服從對數(shù)正態(tài)分布，根據(jù)可靠度理論，分項系數(shù)表達(dá)式為[16, 23]：

式中，κG,i、κQCTV=1.0 、κR=1.2262表示 隨機(jī)變量均值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值，對于自重引起的恒載效應(yīng)，κG,i=1.0148 ； αG,i、 αQ,CTV、 αR為一次二階矩靈敏度系數(shù)，根據(jù)ISO 2394的建議，對于控制性抗力參數(shù)與其他抗力參數(shù)分別取為?0.8、?0.32，對于控制性荷載效應(yīng)及其他荷載效應(yīng)分別取為0.7與0.28，考慮到中小跨徑橋較高的設(shè)計活恒載比例，取 αG,i=0.28 、 αQ,CTV=0.7 、 αR=?0.8；δG,i=0.0431 、δQCTV=0.0368[24 ? 25]、 δR為 隨 機(jī) 變量的變異系數(shù)[17]?？紤]到大件運輸車輛通行評估實施過程中對橋梁技術(shù)狀況的掌握水平，部分不確定性因素對抗力隨機(jī)性的影響可予以排除，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段 δR取值相關(guān)水平，選擇大件運輸車輛過橋評估過程中 δR=0.10。

根據(jù)圖3(b)及以上分析，圖4給出了安全評估分項系數(shù)的校準(zhǔn)分析結(jié)果，可見各分項系數(shù)隨AAT的變化趨勢與目標(biāo)可靠指標(biāo)相同，對于一級、二級、三級構(gòu)件及可能的AAT，恒載效應(yīng)、大件運輸車載效應(yīng)及抗力分項系數(shù)范圍分別為[1.069, 1.077]、[1.115, 1.131]及[1.165, 1.225]。

3 基于可靠度理論的關(guān)鍵構(gòu)件正常使用性能評估方法

3.1 正常使用性能評估目標(biāo)可靠指標(biāo)

我國規(guī)范制定及修訂過程中，已經(jīng)對正常使用極限狀態(tài)設(shè)計隱含可靠度水平進(jìn)行了校準(zhǔn)分析，發(fā)現(xiàn)正常使用極限狀態(tài)可靠度水平不低于0.8，但與之對應(yīng)的基準(zhǔn)期信息并不明確。在此，對于大件運輸車輛過橋評估時的正常使用極限狀態(tài)目標(biāo)可靠指標(biāo)，采用JCSS的研究建議，年目標(biāo)可靠指標(biāo)取為 βT,annual=1.3[26]。在實際工程應(yīng)用中，可結(jié)合JCSS相關(guān)建議及實際情況對大件運輸車載下橋梁關(guān)鍵構(gòu)件的年目標(biāo)可靠度水平進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步根據(jù)質(zhì)量超限大件運輸車輛的年預(yù)期交通量AAT，確定大件運輸車輛單次通行時的正常使用極限狀態(tài)評估目標(biāo)可靠指標(biāo) βT,serv：

根據(jù)式(12)，圖5給出了不同AAT對應(yīng)的βT,serv。

3.2 正常使用極限狀態(tài)功能函數(shù)

考慮最為常見的3種中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件：1) 鋼筋混凝土構(gòu)件；2) 部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件；3) 全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。功能函數(shù)建立時，結(jié)合現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求，分別采用彎曲裂縫寬度及混凝土正應(yīng)力作為鋼筋混凝土構(gòu)件(RC)及預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件(PC)的特征指標(biāo)。

圖 4 大件運輸車載過橋安全評估分項系數(shù)Fig.4 Partial factors of bridge safety assessment under customized transportation vehicle load

圖 5 正常使用極限狀態(tài)評估目標(biāo)可靠指標(biāo)Fig.5 Target reliability index of assessment for serviceability limit state

首先，根據(jù)彎曲裂縫寬度計算方法及控制準(zhǔn)則建立RC構(gòu)件的功能函數(shù)：

式中：ZRC、 [W] 、 θcr分別表示功能函數(shù)、容許裂縫寬度及計算模式不確定性系數(shù)；MCTV、MDL分別表示大件運輸車輛正彎矩效應(yīng)及恒載正彎矩效應(yīng)；其余變量解釋同《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362?2018)[27]。

RC構(gòu)件的容許裂縫寬度通常在0.1 mm～0.5 mm，在此，根據(jù)我國橋梁設(shè)計規(guī)范取[W]=0.20mm，表2給出了國際上不同設(shè)計規(guī)范對容許裂縫寬度的規(guī)定?？梢?，我國對RC構(gòu)件的裂縫寬度控制較為嚴(yán)格，在實際工程應(yīng)用中適當(dāng)放寬裂縫寬度是可行的。

表 2 鋼筋混凝土構(gòu)件容許裂縫寬度 /mmTable 2 Allowable crack width of reinforced concrete component

對于部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件及全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，根據(jù)關(guān)鍵截面混凝土應(yīng)力控制方法建立功能函數(shù)：

式中：ZPC,部分、ZPC,全分別表示部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件及全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件功能函數(shù)；ω為用于考慮構(gòu)件技術(shù)狀況退化的有效預(yù)應(yīng)力損失百分比；ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；其余變量解釋同《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362?2018)[27]?；诂F(xiàn)行橋梁規(guī)范建立式(13)～式(14)所示功能函數(shù)的目的為：確保相關(guān)研究成果能夠最大限度地面向并服務(wù)于工程應(yīng)用。

3.3 變量隨機(jī)性及基于重要性抽樣的可靠度分析

式(13)～式(14)功能函數(shù)中涉及變量較多，為實現(xiàn)正常使用極限狀態(tài)可靠度分析，必須明確各變量的概率特性，通過對已有相關(guān)研究成果的總結(jié)，表3給出了隨機(jī)變量的概率特性及分布參數(shù)信息[28 ? 32]。

表 3 變量概率分布特性及分布參數(shù)Table 3 Probabilistic characteristics and distribution parameters of variables

采用重要性抽樣對式(13)～式(14)進(jìn)行可靠度分析，正常使用極限狀態(tài)失效概率為：

式中：x=(x1,x2,···,xm) 表示m維輸入變量向量；fX(x)為聯(lián)合概率密度函數(shù)。

引入示性函數(shù)：

式(15)可改寫為：

式中，Expf(·)為期望算子，為進(jìn)一步提升抽樣效率，引入滿足歸一化條件的重要性抽樣密度函數(shù)：

Pf,SLS可重新表示為：

在基于hX(x)得到獨立同分布隨機(jī)變量樣本{x(1),x(2),···,x(N)}的前提下，失效概率的估計為[33]：

理論上，最優(yōu)的重要性抽樣密度是無法獲得的，主要由于其確定需要借助待求解的真實失效概率，在此，近似認(rèn)為重要性抽樣密度為正態(tài)分布函數(shù)，變異系數(shù)取為原變量的1.0倍～2.0倍[34]。重要性抽樣密度函數(shù)均值取為fX(x)的最大似然點，可通過以下數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的求解得到：

基于以上分析流程，開展不同大件運輸車輛荷載效應(yīng)水平下構(gòu)件的正常使用極限狀態(tài)可靠度分析，通過將分析結(jié)果與評估目標(biāo)可靠指標(biāo)βT,serv的對比，通過坐標(biāo)比對尋找與 βT,serv對應(yīng)的荷載效應(yīng)比值，可確定特定目標(biāo)可靠水平下式(3)所需臨界荷載效應(yīng)比值 ηcritical。

4 典型案例應(yīng)用分析

4.1 典型中小跨徑梁式橋

以部頒橋梁上部結(jié)構(gòu)通用圖中設(shè)計汽車荷載等級為公路-I級、斜交角0°、路基寬度24.5 m、左右幅分離的簡支鋼筋混凝土板橋(RCS)、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋(PCS)及預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋(PCT)為研究對象，開展典型案例應(yīng)用分析，構(gòu)件重要性等級為一級。所選擇的12座橋梁具體信息如表4。

圖6～圖7以其中4座橋梁為例，給出了不同主梁截面類型橋梁的橫斷面及截面受力鋼筋配置信息。需要指出，在截面初始抗力計算時，將5 cm厚混凝土鋪裝考慮為了主梁頂板的一部分?？紤]到大件運輸車輛過橋速度緩慢，表4中設(shè)計汽車荷載效應(yīng)未考慮沖擊。根據(jù)表1所示承載力修正折減系數(shù)，確定一類、二類、三類橋梁的承載力折減系數(shù)分別為1.15、1.00及0.80。

4.2 基于正常使用極限狀態(tài)可靠度的臨界荷載效應(yīng)比值

首先明確預(yù)應(yīng)力構(gòu)件可能的有效預(yù)應(yīng)力損失百分比，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失的主要因素為：1) 鋼束張拉過程；2) 預(yù)應(yīng)力鋼束的松弛；3) 混凝土收縮徐變。近年來，國內(nèi)外學(xué)者及設(shè)計規(guī)范提出了多種用于估算預(yù)應(yīng)力損失的分析模型[35]。圖8首先給出了根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62?2004)所得到的由鋼束張拉及預(yù)應(yīng)力鋼束松弛導(dǎo)致的有效預(yù)應(yīng)力損失百分比。

表 4 典型橋梁信息Table 4 Detailed information of typical bridges

圖 6 典型橋梁橫斷面 /cm Fig.6 Cross sections of typical bridges

進(jìn)一步根據(jù)Biswal等的研究，當(dāng)服役時間達(dá)到50年時，由混凝土收縮徐變所引起的有效預(yù)應(yīng)力損失百分比可達(dá)到27%[36]。然而，考慮到我國大件運輸線路選擇時通常需要避開老舊橋梁及技術(shù)狀況等級較低的橋梁，由混凝土收縮徐變引起的有效預(yù)應(yīng)力損失百分比可選擇一個較低的水平，在此，綜合以上分析，建議ω的取值范圍為20%～25%。

圖 7 典型橋梁截面配筋 /mm Fig.7 Sectional reinforcement arrangements of typical bridges

圖 8 鋼束張拉及預(yù)應(yīng)力鋼束松弛導(dǎo)致的有效預(yù)應(yīng)力損失百分比Fig.8 Losing percentage of efficient prestress caused by tension stage and relaxation

在實際應(yīng)用過程中，為提升大件車載作用下橋梁正常使用性能的評估精度，仍應(yīng)借助不同的技術(shù)手段，提升對待評估橋梁預(yù)應(yīng)力損失情況的估算精度。

圖9以RC橋梁及PCS20為例給出了基于正常使用極限狀態(tài)可靠度分析結(jié)果確定臨界荷載效應(yīng)比值的示意。表6進(jìn)一步給出了12座橋梁在不同評估目標(biāo)可靠指標(biāo)下的臨界荷載效應(yīng)比值或取值范圍。由圖9及表6可知，隨著跨徑的增大，臨界荷載效應(yīng)比值無明顯的變化規(guī)律，主要由于該分析結(jié)果受橋梁跨徑、設(shè)計活恒載比例及截面配筋情況等多種因素共同影響，此外，預(yù)應(yīng)力損失百分比對臨界荷載效應(yīng)比值影響比較明顯，在實際工程中，為提升大件運輸車輛過橋評估精度，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對沿線橋梁有效預(yù)應(yīng)力損失的估算。

圖 9 基于可靠度分析的臨界荷載效應(yīng)比值確定Fig.9 Determination of critical load effect ration according to reliability analysis

4.3 大件運輸車輛過橋評估

結(jié)合圖8及對應(yīng)分析結(jié)果，考慮預(yù)應(yīng)力混凝土空心板有效預(yù)應(yīng)力損失百分比為25%，預(yù)應(yīng)力簡支T梁橋有效預(yù)應(yīng)力損失百分比為20%，開展大件運輸車輛過橋評估案例分析。大件運輸車輛荷載信息如圖10(a)所示，車貨總重為523 t，圖10(b)給出了采用大件運輸車輛過橋分析系統(tǒng)分析該車輛通過PCT20的過橋場景，其中，為滿足分析效率要求，基于梁單元建立結(jié)構(gòu)有限元模型。鑒于現(xiàn)行規(guī)范對大件運輸車輛過橋的通行軌跡要求，以12座橋梁的中梁為關(guān)鍵構(gòu)件。

表 6 大件運輸車輛過橋評估臨界荷載效應(yīng)比值Table 6 Critical load effect ratios for bridge assessment under customized transportation vehicle

圖 10 大件運輸車輛荷載及仿真分析Fig.10 Customized transportation vehicle load and simulation analysis

根據(jù)圖10(a)所示大件運輸車輛對12座橋梁的加載分析結(jié)果，借助所建立的安全評估方法首先進(jìn)行安全性評估，圖11(a)給出了構(gòu)件技術(shù)狀況等級為二類時不同AAT對應(yīng)的安全評估指標(biāo)，可見當(dāng)橋梁技術(shù)狀況等級一定時，AAT對安全評估結(jié)果影響較小。圖11(b)給出了AAT=200時，不同技術(shù)狀況等級對應(yīng)的安全評估指標(biāo)，可見橋梁技術(shù)狀況等級對安全評估結(jié)果影響顯著，技術(shù)狀況等級為三類時，部分橋梁安全評估指標(biāo)超過1.0，不滿足安全性要求。

根據(jù)圖1所示流程，當(dāng)大件運輸車載下構(gòu)件滿足安全性要求時，應(yīng)進(jìn)一步開展正常使用性能評估，具體結(jié)果如圖12?？梢?，從正常使用性能角度考慮，圖10(a)所示大件運輸車輛對12座橋梁的可通行性隨著AAT的增加而下降，AAT=50、100時，各橋梁荷載效應(yīng)比值分析結(jié)果均小于臨界荷載效應(yīng)比值，完全滿足正常使用性能要求，當(dāng)AAT=150、200時，PCS20荷載效應(yīng)比值分析結(jié)果超過了與對應(yīng)的臨界值，大件運輸車輛直接通行將導(dǎo)致PCS20關(guān)鍵構(gòu)件正常使用性能無法保障。

圖 11 橋梁關(guān)鍵構(gòu)件安全性評估Fig.11 Safety assessment of bridge key component

圖 12 橋梁關(guān)鍵構(gòu)件正常使用性能評估Fig.12 Serviceability assessment of bridge key component

5 結(jié)論

以可靠度理論為基礎(chǔ)，考慮安全性與正常使用性能要求建立了大件運輸車輛過橋評估方法，主要得到以下結(jié)論：

(1) 隨正常運營荷載下構(gòu)件年目標(biāo)可靠指標(biāo)的增大，大件運輸車載單次通行下橋梁構(gòu)件安全評估目標(biāo)可靠指標(biāo)快速下降，之后趨于穩(wěn)定，隨著大件運輸交通量的增大，評估方法應(yīng)適當(dāng)收緊；

(2) 考慮年均大件運輸交通量為50輛～200輛時，基于可靠度理論得到的中小跨徑梁式橋恒載效應(yīng)、大件運輸車載效應(yīng)及抗力分項系數(shù)取值范圍分別為[1.069, 1.077]、[1.115, 1.131]及[1.165,1.225]；

(3) 基于正常使用極限狀態(tài)可靠度分析及目標(biāo)可靠指標(biāo)，可根據(jù)不同橋梁構(gòu)件配筋信息等，可針對大件運輸車輛荷載，確定基于正常使用性能的臨界荷載效應(yīng)比值，并用于可通行性快速判定；

(4) 大件運輸車載下橋梁構(gòu)件安全性評估結(jié)果受構(gòu)件技術(shù)狀況等級影響顯著，年均大件運輸車輛通行量的影響相對較小，但后者對構(gòu)件正常使用性能評估結(jié)果影響顯著；

(5) 盡管已經(jīng)通過對安全性及正常使用性能要求的考慮，建立了大件車輛過橋評估方法，然而，該方法在不同地域特征下的應(yīng)用及優(yōu)化仍需進(jìn)一步研究。