公路橋梁設計荷載研究

張學棟

摘 要：文章依托實測車輛的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對橋梁車輛設計荷載進行了研究和分析，為我國公路橋梁荷載設計理念和設計方法的逐步完善及其科學化和合理化提出一點看法，以供同行參考。

關鍵詞：設計荷載；公路橋梁；荷載效應；分項系數(shù)

1 公路橋梁荷載標準現(xiàn)狀

2004年修訂的《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60-2004）采用車道荷載形式如圖1所示。2004版公路橋梁荷載標準中規(guī)定：汽車荷載修改調(diào)整為車道荷載的模式，廢除車隊荷載計算模式。并且提出車道荷載的均布荷載kq和集中荷載KP的標準值。

2 車輛荷載效應計算理論

2.1 影響線計算

橋梁結(jié)構(gòu)必須承受橋面上行駛車輛時的移動荷載的作用，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也隨作用點結(jié)構(gòu)上的變化而變化。所以需要研究并確定其變化范圍和變化規(guī)律和內(nèi)力的最大值此過程中作為設計標準。因此，需要確定的是荷載最不利位置和最大值。首先要確定在移動荷載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，將多種類型的移動荷載抽象成單位移動荷載P=1的最簡單基本形式。只要經(jīng)過清楚地分析內(nèi)力變化規(guī)律，其他類型的荷載就可以根據(jù)單位移動荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律疊加原理求出。影響線是內(nèi)力（或支座反力）在移動單位荷載的作用下的引起的變化規(guī)律的圖形。所以，影響線是研究車輛荷載等移動荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值的基本工具。初步選定對周圍環(huán)境的影響的工程規(guī)模及結(jié)構(gòu)類型、使用要求、材料情況、施工條件、造價等因素，根據(jù)路基地質(zhì)條件，幾種可供考慮的路基處理方案。勘察工作提供的資料一般僅作一般性的對軟土描述，土的物理力學組成狀況性質(zhì)指標沒有提供。結(jié)構(gòu)力學中認為影響線是一個指向不變的單位集中荷載沿結(jié)構(gòu)移動時某一量值變化規(guī)律圖形。實際上，影響線是以荷載位置為變量的某量值的函數(shù)。

有限元法目前被公認是求解工程中所遇到的各種問題的有效通用方法，實際上，其應用范圍還要廣泛得多。橋梁結(jié)構(gòu)影響線一般采取此種方法。

2.2 橫向分布系數(shù)計算

上個世紀三十年代開始“荷載橫向分布”概念得到應用，橋梁空間結(jié)構(gòu)的計算理論被大量的試驗驗證和研究，于是用平面問題可以來處理空間計算問題，合理地簡化為空間問題提供了實用理論的計算方法。該方法計算原理是用一個近似的影響面去代替精確的影響面。荷載橫向分布的原理可以歸納如下：（1）建立在用一個近似的內(nèi)力影響面去代替精確的內(nèi)力影響面的基礎上。近似內(nèi)力影響面可用變量分離得到，其坐標？濁（x，y）=？濁1（x）·？濁2（y）；（2）梁橋空間結(jié)構(gòu)近似計算中，“荷載橫向分布”僅僅是借用的概念，其本質(zhì)是“內(nèi)力”的橫向分布。原因是在變量分離后在計算式的表現(xiàn)形式上成了“荷載”橫向分布；（3）只有在一些特殊的條件下，比如常截面的簡支梁橋承受按正弦曲線沿橋跨分布的荷載時才存在確切的荷載橫向分布。荷載橫向分布常用的方法：杠桿原理法：將橋面板看成忽略了與主梁之間橫向聯(lián)系的支承在主梁上的簡直梁或懸臂梁；正交異性板法：換算成彈性平板來求解主梁和橫隔梁的剛度。修正偏心受壓法：考慮橫隔梁剛性很大的主梁的抗扭影響；剛性橫梁法：假定橫隔梁變形后保持直線，剛性無限大；剛接板法：把相鄰主梁之間的聯(lián)系視為剛性鏈接，傳遞剪力和彎矩。

3 橋梁荷載設計存在問題

目前橋梁設計中存在的主要問題是橋梁載重能力設計不足。橋梁在載重力有兩種極限狀態(tài)：承載能力和正常使用。由于承載能力不足，結(jié)構(gòu)整體或某部位的穩(wěn)定性在超出橋梁的承載極限后就會受到破壞，橋梁混凝土構(gòu)件在重復荷載的情況下會超出疲勞極限而喪失穩(wěn)定性。目前，在橋梁設計中有些規(guī)范不予考慮對于重復荷載產(chǎn)生的破壞，這樣的規(guī)定使得橋梁主梁設計非常有效，但是直接忽視重復荷載在橋梁其他部分設計，非常不利于橋梁的安全性和年久性。

3.1 加強管理

目前橋梁超載問題要盡量避免，在我國大體上有三種橋梁超載現(xiàn)象：一是一些老橋梁超齡負載運營，較早時期修建的；二是車流量超過了設計上限的橋梁在實際使用過程中；三是違規(guī)超載現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只有個別車輛存在。為了計算方便，均布荷載及集中荷載組合作為橋梁設計建議設計荷載的優(yōu)先選擇。城市橋梁中，占絕大大多數(shù)的是低于50m跨度的荷載連續(xù)的中小型跨度橋，應該5～50m跨度橋梁按照荷載的內(nèi)插方法，具體的參照《公路橋梁設計通用規(guī)范》（JTGD60-2004）來考慮。

3.2 耐久性問題

在建造和使用橋梁的過程中，因為其基本功能導致，橋梁要能抵抗住包括有害化學物質(zhì)和自然環(huán)境（如以及臺風、地震）以及人為因素等作用的影響。另外，在橋梁使用過程中，其材料將會日趨衰退導致功能減退，導致了橋梁各部分存在不同程度的損壞。據(jù)不完全統(tǒng)計，除上述原因，影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的問題根源是設計。

4 橋梁作用效應組合

根據(jù)極限承載能力來設計荷載組合，有以下幾種組合方式：組合Ⅰ，基本可變荷載與永久荷載組合；組合Ⅱ，基本可變荷載與永久荷載組合加上可變荷載；組合Ⅲ，基本可變荷載與永久荷載組合加上偶然荷載（由于船只或漂浮物碰撞而引起）；組合Ⅳ，城市橋梁在施工過程中，可以利用施工中可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)重力、腳手架、材料機具、人群等由于施工而產(chǎn)生的荷載進行組合；組合Ⅴ，城市橋梁在設計時承受的永久荷載，例如由于重力、預加力、地震等原因產(chǎn)生的荷載相互作用組合在一起組合方式。橋梁設計中結(jié)構(gòu)重力與汽車荷載二者產(chǎn)生的效應方向相同時：組合Ⅰ：1.2SQ+1.4S'Q1；組合Ⅱ：1.1SQ+1.4S'Q1+1.3SQ2：但是，如果橋梁設計中結(jié)構(gòu)重力與汽車荷載二者產(chǎn)生的效應不同：組合Ⅰ：0.9SQ+1.4S'Q1；組合Ⅱ：0.8SQ+1.3S'Q1+1.3SQ2。其中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為標準值、頻域值、分項系數(shù)以及組合系數(shù)等，此內(nèi)容在進行公路橋梁設計時，它的自由度和靈活度設計寬泛一些。

5 結(jié)束語

充分掌握車輛荷載的特點、國外制訂的荷載標準并充分考慮我國實際狀況，我國車輛荷載標準基本方法得到確定，中國的公路橋梁荷載模型發(fā)展方向符合世界橋梁發(fā)展的潮流趨勢，與國外相比，荷載標準值有些偏高有些偏低。總體上，我國規(guī)范中的荷載設計效應比國外標準偏低，小跨徑橋梁梁的設計荷載標準值低的較多。針對目前國內(nèi)橋橋梁破損的情況而言，適當提高設計荷載標準是妥當?shù)?。希望加以重視，不斷完善我國的橋梁荷載規(guī)范，使得我國橋梁規(guī)范制定工作達到國際上的領先水平。

參考文獻

[1]交通部，公安部，發(fā)展改革委，質(zhì)檢總局，安全監(jiān)管局，工商總局，法制辦.關于在全國開展車輛超限超載治理工作的實施方案（2004 年）[Z].北京.2004.

[2]王大偉.我國公路橋梁設計中車輛荷載標準的發(fā)展歷程[J].交通標準化，2005.

[3]貢金巍.工程結(jié)構(gòu)可靠性設計原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.