超载车辆对道路桥梁的危害及防治对策研究

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  摘要:本文通过对道路、桥梁早期破坏现象进行综合分析研究,导致沥青路面和桥梁早期破坏最重要的直接原因就是汽车超载。车辆作为道路、桥梁的服务对象,也是造成道路、桥梁损坏的主要因素。
  关键词:超载车辆,重载,桥梁病害,防治对策
  中图分类号:U294文献标识码: A
  The research on the harm and prevention countermeasures of roads and bridges from the overloaded vehicles
  ZHANG Hai-feng1, WEI Lian-Yu2
  (1. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;
  2. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)
  [Abstract]: The main and direct reason for the early damage of asphalt pavements and bridges is the overloading by means of comprehensive analysis and study of the early stage damage of roads and bridges in this article. As the service object of roads andbridges, vehicles are the main factors of roads and bridges damage.
  [Keywords]: the overloaded vehicles;heavy load;fractal theory; bridge disease;
  prevention countermeasures;
  
  0引言
  随着经济的快速增长,路网的连通呈现了车流量大、车速高、渠化交通等新特点,使重载超载车辆对原有设计规范和路面正常功能发挥产生了新的冲击。超载车辆和重载在国际道路界称为重任务交通(Heavy Duty Traffic),它是指道路通车后交通量/累计当量标准轴次(ESALs)大大超过一般水平,路面性能衰减超常规发展的现象。在我国,这类情况习惯称之为重载交通,包含两个含义:超限运输和超载运输,在发达国家,重载交通主要体现为货运集装箱、大型化、多轴化;在我国,重载交通通常以车辆的超限超载为特点,即指道路上的车辆轴重超过了道路所规定的限值。由于客车及中小型货车对路面不造成太大的危害,对路面寿命影响很小,可以不予考虑,因此重载交通主要是指大中型货车交通。
  1超载车辆现状
  据检测:车辆车重超载情况为:两轴车超重2.1倍,三轴车超重2.8倍,四轴车超重2.0倍,五轴车超重2.7倍,六轴车超重2.6倍。具体各型车交通量超载比例情况见下表1。
  表1 分车型超载情况
  车重
  (吨) 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 50-55 >55 超载 合计 超载
  比重
  2轴车 125 113 68 89 22 4 5 3 2 36 431 8.35%
  3轴车 1 1 4 4 8 33 34 5 4 17 22 34 116 167 69.46%
  4轴车 11 17 7 24 9 57 51 2 2 21 76 201 37.81%
  5轴车 12 4 4 3 8 8 34 120 56 176 249 70.68%
  6轴车 1 32 91 2 3 5 21 115 115 270 42.59%
  合计 126 114 83 123 73 156 51 75 68 58 165 226 519 1318 39.38%
  2超载行驶对道路的危害及对策
  2.1超载条件下重轴对路面设计的冲击
  我国公路沥青路面设计规范以单轴100KN为标准轴载,即BZZ-100,单轴轴载小于等于130KN或双轴轴载小于等于220KN的车辆轴载均可换算为标准轴载,以设计年限内的累积标准轴次进行路面结构设计。而当前,我国车辆的超载、超限情况十分普遍,重载(这里重载是指单轴轴载大于130KN或双轴轴载小于等于220KN)车辆日益显著增加。不同轴重下对应的荷载半径和轮压见下表2。后轴从限定的100KN增加到250KN以上,比例较大,轮胎充气压力从额定的0.7Mpa增加到1.3Mpa以上,规范规定的轴载换算公式已不适用。
  表2 不同轴重下对应的荷载半径和轮压
  轴重/KN 100 130 160 190 220 250 280 310 330
  半径cm 10.65 11.17 12.26 12.26 12.26 12.26 12.26 12.26 12.26
  轮压MPa 0.710 0.765 0.847 1.006 1.165 1.323 1.428 1.641 1.800
  2.2超载条件下重轴剪应力对路面结构的破坏
  上中面层是剪应力作用的主要集中区域。且剪应力随轴载的增长而增长。在垂直荷载和水平荷载的综合作用,是路面结构受力的最不利状态。经计算从路面表面到一定深度范围内剪应力的变化情况如图1:
  
  图1 沥青面层剪应力分布图
  2.3超载条件下车速对路面的破坏
  车辆超载行驶速度低,轮胎对路面的荷载作用时间就越长,不仅会加速沥青混合料的疲劳破坏,还会增大路面结构的剪切变形。不同车速时车辆的荷载作用次数见下表3。车速降低除了对荷载作用次数的影响外,还会降低了沥青混合料的劲度模量。PG70胶结料在车速50 km/h时的劲度大约相当于PG64胶结料在100 km/h时的劲度。
  表3 不同车速时车辆的荷载作用次数
  平均车速(km/h) 74 64 58 52 45 38 30
  荷载作用时间(s) 0.0315 0.0156 0.0172 0.0192 0.0222 0.0263 0.0333
  荷载作用次数(万次) 1500 1594 1655 1673 1733 1776 1900
  2.4埋下的安全隐患
  汽车尤其是客车超载行驶,会导致恶性事故频频发生。汽车各部分尺寸都是按照设计载荷确定的,超载行驶会使汽车总程损坏,且有些损伤非常隐密,表面上根本看不出来,就是当今最先进的仪器也难以测试。这样的车辆行驶在公路上,尤其是高速公路上,是交通安全的最大威胁。据业内人士介绍,汽车事故多数与超载有关,超载容易引起汽车爆胎、偏驶、翻車,由于超载车重量大、惯性大,难以控制,造成事故发生是不可避免的。
  3道路损坏对策
  对现存路线的重车加强管理,可采取超载收费的办法进行管理。再者可以对超载路线按功能进行设计。“强基、薄面、稳路基”的方针,是半刚性基层沥青路面的主要形式。针对重车路线对路面功能的需要:一是上面层抗车辙。二是中面层抗剪切,又抗车辙。三是下面层抗疲劳损坏,应把“强基、薄面”转变为“强基、厚面”。以改变路面的损坏模式,即:从“自下而上”转变为“自上而下”,让路面损坏只发生在上部。例如:京津塘高速公路93年全线建成通车运营已近20年,路面状况尚好,运营期间虽交通量较大,超载车辆也较多,但路面损坏只发生在上部,基层状况良好。京津塘路面结构为:5cm上面层、7cm中面层、11cm下面层、20cm水泥稳定碎石、30cm石灰土底基层。我们建议超载交通条件下全寿命沥青路面这种模式可借鉴,见下表4。
  表4 超载交通条件下全寿命沥青路面推荐结构表(新建)
   结构层 材料选择 结构层厚度 受力特点 功能
  
  
   上面层
  (磨耗层) SMA、Superpave密级配沥青混合料、OGFC(开级配透水防滑磨耗层) 40mm-75mm 受压
  受剪 抗车辙、水稳定性好
   中面层 高模量抗剪切的改性沥青混合料 60mm-80mm 竖向受压 抗剪切
  
  最大拉应变
   下面层 柔性抗疲劳沥青混合料(沥青含量高,有足够的厚度) 100mm-120mm 竖向受压 抗疲劳
  承重层
  (支撑层) 下封层 改性乳化沥青
  或热沥青 -- -- 防水、提高层间联系
   基层 水泥稳定碎石(不控制水泥用量,只对强度提出最低要求) 320mm-400mm 层底受拉 承重层
   底基层 石灰土 200mm 层底受拉
   垫层 级配碎石 100mm -- 排水、改善土基的温湿状况
   土基 密实路基,化学稳定路基或非稳定类粒料(如碎石等) -- 受压 为基层提供良好的支撑条件
  4超载行驶对桥梁的危害及对策
  4.1桥梁各部位破坏情况
  桥面出现横向、纵向裂缝和网裂;出现麻面、坑槽等。
  上部结构:
  (1)梁体底部混凝土脱落,跨中横向裂缝大于0.2mm;
  (2)绞缝破坏,出现竖向通缝;
  (3)支点附近出现剪切裂缝,在支点一倍梁高范围内出现大的裂缝;
  (4)部分梁体挠度已经超过规范允许值。
  下部结构:
  (1)盖梁出现竖向裂缝,有的已成通缝;
  (2)墩柱混凝土压碎,出现劈裂破坏等。
  4.2桥梁损坏的原因
  现行04年设计规范中公路—Ⅰ级相当于55T的五轴载重车和具有规定间距的若干辆标准车组成的车队,而实际检测到的超载五轴车的平均总重为125T,最重的为143T。在重载路线上实际汽车荷载已经远远大于现行标准的设计荷载。对宝平公路上3跨13米板梁桥按照以上两种荷载分别进行计算。
  (1)强度(内力)分析结果
  表5 强度分析结果
  荷载 跨中弯矩(KNm) 支点剪力(KN)
  实际荷载 1124.40 481.06
  公路—Ⅰ级 692.35 238.77
  比 值 1.62 2.01
  通过分析,桥梁在实际荷载作用下的内力值远远大于规范计算的内力值。桥梁的破坏是必然要发生的。
  (2) 挠度(刚度)分析
  表5 挠度分析结果
  荷载 挠 度(cm)
  实际荷载 32897.1/EI
  公路—Ⅰ级 16419/EI
  比 值 2.0
  桥梁在超重车的作用下,挠度超过允许值,引起绞缝的损坏,横向联系降低,最终导致桥梁的破坏。重载车辆的车距一旦过小就相当于在桥梁上又增加了额外的荷载,会引发桥梁的破坏。重载车辆的重复作用会使桥梁产生过大的挠度,梁下缘混凝土开裂,出现不可恢复的变形,裂缝不闭合,承载力下降,造成桥梁始终处于危险状态,直至最终破坏。
  以上计算的汽车荷载是公路—Ⅰ级,我市的重载路线大多是二级公路,而二级公路的设计荷载仅为公路—Ⅰ级的75%,可见重载路线上的设计荷载远远不能满足实际的荷载需要。
  5 桥梁损坏对策
  桥梁问题严重威胁着人民的生命财产安全。重载交通又是个社会问题。为了使桥梁适应现在的重载交通,需要采取以下对策:
  5.1有针对性地加强超限运输的科学性管理
  无论是车辆轴载,还是车辆的总重,超过一定的限度都会对道路桥梁产生不可恢复性的破坏,尤其是桥梁对车辆的总重更为敏感,必须科学的加以控制,杜绝恶性事故发生。适当放宽超限的额度,只控制对道路桥梁造成危险事故隐患的车辆,把矛盾范围缩小,会收到良好效果。
  1.车辆轴载控制在180KN以下,通过大量的实际调查研究和计算,这一数值是道路路面材料的承受能力的极限,超过以后无论结构作多厚,都会发生早期破坏,无法耐久。
  2.车辆总重控制在120吨以下(六轴石料运输车可以总重100吨,三轴石料运输车总重46吨),因为这是桥梁验算荷载的极限值,超过后随时都会发生危险。
  3.不允许达120吨的车队结队行驶过桥,那样将会给桥梁带来致命的伤害。
  4.对拉沙石料的车辆改装要严加控制,限定容积,不能超过总重的限制。
  5.对过去不符合要求的改装车辆,装载超过允许重量的,一经发现马上扣押进行,并限定必须改装符合容积要求,再允许上路运输。
  6.改变只罚钱,不卸载的路上管理,实行既罚又卸的方法。
  7.对砂石料产地实行超限的源头管理,同时以上管理应以交管部门交警为主体,路政人员共同执行。
  5.2提高桥梁和道路的承载能力
  1.充分认识重载交通对桥梁破坏的影响,确定重车路线。
  通过以上对重载交通下桥梁的分析,我们应该清楚地认识到重载交通对桥梁的破坏性。确定主要重车路线,提高标准,增强承载能力,才能有针对性地对桥梁进行设计与管理,防止桥梁破坏的发生,保证人车安全。
  2.针对我市重车大多在普通公路上,有重车运输比例大的主要重车路线和较小的一般重车路线,通过调查检测,应对现有主要重车路线上符合汽车一级的桥梁上部结构有计划地进行加固改造,以满足实际行车需要。
  3.对现有主要重车路线上不满足汽车一级的桥梁根据检测情况进行维修加固或重建。
  4.对一般重车路线,根据轻重缓急,逐步进行加固改造。
  5.立即对道路桥梁进行专项研究,提出针对性的维修改造方案,延长使用寿命,提高投资效益。
  
  [参考文献]:
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