“全国市政行业市政工程科学技术奖”获奖项目展示--港口桥梁汽车荷载安全性关键技术研究及工程应用
“港口桥梁汽车荷载安全性关键技术研究及工程应用”项目于2006年3月立项，2013年11月完成,2013年12月通过了天津市高新技术成果转化中心组织的项目成果鉴定。该项目研究由天津市市政工程设计研究院完成。该研究项目成果获2013年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖，其成果主要应用于港口及其毗邻区公路的桥梁建设、维护和汽车荷载的控制管理。
天津港港区鸟瞰
项目研究技术原理
该课题研究采用了“基于车型特点分类的荷载调查法”，根据天津港区重载汽车的车型特点进行了车型分类，并分别对各型汽车荷载进行了相应的随机抽样调查，对调查数据采用了基于“随机变量”概率分析手段和K–S假设检验方法进行了分析和验证，得到了各型重载货车在95%保证率下的轴载值。然后对各型汽车的轴距进行了分析研究，分别求出各型重载货车的轴距值。根据相应的轴载值和轴距值，最终得到了各型汽车的荷载计算图式。
利用各型汽车的荷载计算图式，分析了港口汽车荷载在不同的运行状态下对常用典型桥梁结构所产生的荷载效应，并综合考虑了恒载、温度、支座沉降等多种荷载组合作用下的情况，分析出重载汽车对桥梁主体结构（主梁、桥墩）和关键受力构件（桥面板、防撞护栏）的总体影响程度。根据分析，发现相对于普通的公路I级汽车荷载，港口汽车荷载对桥梁结构的影响很大，会导致荷载效应的大幅度提高，如果港区桥梁仍然按照普通荷载标准设计，会给桥梁结构的安全造成很大的威胁，因此制定相应的港区桥梁汽车荷载标准是一项重要的任务。对港口桥梁的汽车荷载标准进行了探讨，根据上述成果提出了3种适用于港口桥梁的汽车荷载标准。同时针对组合式汽车荷载计算难度大的问题，进行了专门分析，研究出了混合车列运行情况下，桥梁的“综合横向分布系数”计算方法。
由于该课题所提出的汽车荷载标准是针对新建港口桥梁采取的安全措施和对策，对于大量的既有桥梁，为保证既有桥梁的结构安全，防止其超负荷运行，同时还要最大程度上发挥桥梁的承载能力，保证运输效率，该课题研究并提出了一种“与现行公路I级荷载相当的，对应于不同车型”的限重标准。
关键技术及创新点
该项目的关键技术及主要创新点如下。
1）根据港口桥梁上载重汽车的车型特点进行了汽车分类，并针对不同车型分别进行荷载调查和轴距调查，然后运用基于“随机变量”的概率分析手段，得到相应车型在95%保证率下的轴重和轴距，从而确定出各型汽车的车辆荷载“计算图式”。申请发明专利2项：（1）确定港口桥梁汽车车辆荷载计算图式的方法（专利号：2013100798549）；（2）确定汽车车辆轴距以进行荷载分析的方法（专利号：2013100798553）。
2）对极端情况下的汽车荷载效应进行深入研究，提出了由典型汽车组成车列对桥梁产生的荷载效应进行分析，进行各型汽车的荷载安全研究，并提出了三种适用于港口桥梁的汽车荷载标准。
由典型车型的汽车各自组成车列，分别在不同跨径的桥梁结构上进行单车道顺桥向加载计算，分析其在正常行驶状态、堵车状态、稀疏状态—3种不同运行状态下的荷载效应，从而得到各型汽车对桥梁结构的影响情况，可以有效地分析各种极端情况下的汽车荷载效应。并以此为基础提出了三种用于港口桥梁的汽车荷载标准。申请发明专利1项：桥梁汽车荷载效应分析方法（专利号：2013100784423）。
3）成功解决了2种汽车荷载混合运行时汽车荷载效应的计算问题。研究了由“典型车列”和“标准公路荷载”两种汽车混合运行情况下，对于横向预制拼装结构桥梁的汽车荷载效应“综合横向分布系数”计算方法。
混合车列加载在桥梁设计和结构分析方面具有很大的难度，尤其是在“典型车列”所在的车道可以在横桥向任意位置的情况下，即使建立空间计算模型也难以进行精确地汽车荷载加载计算，对于横向预制拼装结构的桥梁则更加困难。本课题所研究的计算方法（包括“编程加载法”、“等量代换法/替换法”和“大荷载法”）有效地解决了这一问题，为该荷载条件下的汽车荷载计算奠定了基础。
4）首次提出了港区典型汽车荷载效应与现行荷载公路I级相当条件下，不同车型各自的限重标准。
目前对于设计荷载水平较低的桥梁通常会采取限重措施，这些措施对于货车采用的是同一种标准，即不论货车本身的结构有那些不同，都采用同一种车重或轴重加以限制。然而，由于不同货车的车轴数量和车轴布置情况差别较大，即使是同样重量的货车，对桥梁的影响也不一样，因此其允许过桥的总重量和单轴质量并不相同，有必要对不同车型的限重标准进行研究，为制订适用于港区桥梁的标准和措施提供依据。申请发明专利1项：根据车型不同确定汽车荷载限制值的方法（专利号：2013100784419） 。
与国内外同类技术的比较
目前，国外尚未发现关于港口桥梁汽车荷载安全方面的报道，相关的文献检索显示国外学者的研究主要集中于“多车道负载效应模拟”、“超重车辆对桥梁的力学冲击影响”等方面，关于港口桥梁被重载汽车损伤乃至破坏的情况主要发生在国内。我国虽然有一些相关研究，主要的研究对象是普通公路和城市公路，缺少对港口道路的研究，尤其对于港口桥梁的安全性研究几乎是空白。该课题研究有以下几方面特点。
1）国内外同类研究汽车荷载的方法主要是基于自然车流的“随机过程”分析法和 “蒙特卡洛”随机模拟法。与这些方法不同，该课题的方法是将货车根据车型特点进行分类，并分别做荷载调查，然后对汽车轴载直接进行“随机变量”概率分析，得到不同车型在95%概率保证条件下的汽车荷载情况，具有直接、直观的优点，并且可以对不同车型的荷载特点进行分析，更加灵活和具体。
2）我国《公路工程结构可靠度设计统一标准》中对汽车荷载统计方面有关于“密集运行”和“一般运行”2种状态的表述，但是这是对荷载统计的一种分类方法，而非对桥梁进行加载计算的方法，同时其统计的对象是连续测录的自然车队，即车队中包括各种车型，而该课题中所指的是同一类型汽车所组成的车队，因此两者有本质的不同。本课题所用的方法可以更好地反应极端情况下的汽车荷载效应，对港区桥梁的汽车荷载安全性分析更加有效。
3）在2种汽车混合运行下，对于横向预制拼装结构桥梁的汽车荷载 “综合横向分布系数”的计算方法。
在国内外尚未见到这方面的论述和研究。
4）在桥梁荷载限制研究方面，关于不同车型的限重标准。目前对于设计荷载水平较低的桥梁通常会采取限重措施，这些措施对于货车采用的是同一种标准，即不论货车本身的结构有哪些不同，都采用同一种车重或轴重加以限制。然而，由于不同货车的车轴数量和车轴布置情况差别较大，即使是同样重量的货车，对桥梁的影响也不一样，因此其允许过桥的总重量和单轴质量并不相同，该课题针对这一情况，对不同车型的限重标准进行研究，为制订适用于港区桥梁的标准和措施提供了依据。
项目应用成果与效益
该课题的主要成果适于在港口及其毗邻区公路上的桥梁建设、维护和汽车荷载的控制管理领域中进行推广应用，主要涉及到桥梁建设（业主）单位、设计单位和运输单位3类单位。该课题项目分别选取了3个典型单位（天津海滨大道建设发展有限公司、天津市市政工程设计研究院、中铁十八局集团第五工程有限公司）进行了推广。
天津海滨大道建设发展有限公司推广应用情况
该公司将课题的研究成果应用于天津市塘沽区海河大桥维修加固工程、天津集疏港公路海河大桥工程、天津海滨大道北段二期工程、天津集疏港公路二期中段、南段工程等项目中。利用该课题中关于港区及其毗邻区汽车荷载调查的数据和分析，合理地增强了桥梁的承载能力，提高了桥梁的安全储备，有效减少了桥梁早期损坏的现象，降低了维护费用，为保证集疏港交通的安全、通畅起到了重要的作用，取得了巨大大的社会效益和经济效益。
天津市市政工程设计研究院推广应用情况
该院将“港口桥梁汽车荷载安全性关键技术研究及工程应用”这一课题研究成果成功应用到了天津市塘沽区海河大桥维修加固设计工程、天津集疏港公路海河大桥工程、天津海滨大道北段二期工程、天津集疏港公路二期中段、南段工程、天津港公路集疏运规划、天津临港工业区二期基础设施工程等项目的设计。
该课题的汽车荷载调查为这些项目的设计提供了基础数据，节省了大量的现场调研时间和调查经费，课题中的研究成果（如：港区桥梁汽车荷载计算图式、混合车辆荷载条件下汽车荷载效应计算、港区汽车对桥梁总体结构和关键部位的影响、港区桥梁的安全措施和对策等）直接应用于该院承担的桥梁设计工作中，有效地提高了结构安全性能。运用这些成果可以快速、准确地计算出港区、重载桥梁的汽车荷载效应，大大提高了桥梁设计过程中的工作效率，有效地降低了设计成本，减少了人员和费用的投入，经济效益和社会效益十分显著。
中铁十八局集团五公司推广应用情况
该公司将课题研究成果应用到了天津中新生态城经六路桥梁工程项目中。此项目的主桥钢梁结构在分段制造过程中，根据该课题的研究成果，对钢主梁的加工分段、节段重量进行了相应的调整，即避免了大节段钢梁超重，需要对经过的桥梁进行临时加固的问题；又充分利用了运输车辆的装载能力，使各段钢梁顺利运抵施工现场，缩短了运输时间，保证了工程的顺利实施。
在该桥梁的钢梁运输过程中，由于采用了课题的相关成果，减少了运输人员，也不再需要超大型的运输车辆，提高了运输效率，节省了运输时间，其折算价值约90万元；同时由于避免了超重，不必再对所经过的桥梁进行临时加固，节省了开支 850万元。合计产生经济效益940万元。
（ 天津市市政工程设计研究院 供稿）
注：本文刊载于《市政技术》2015年第4期，第1、2、3页。