公路橋梁疲勞荷載譜

李幸杰 余世杰

摘要：本文簡要介紹了公路橋梁疲勞荷載譜的制定過程，并對美國公路橋梁（AASHTO）疲勞荷載譜以及我國公路及城市橋梁疲勞荷載譜的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：公路橋梁疲勞荷載譜AASHTO標(biāo)準(zhǔn)疲勞車

中圖分類號：TU997文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

一、概述

和結(jié)構(gòu)的靜力設(shè)計不同，鋼橋疲勞設(shè)計所采用的荷載不是按強(qiáng)度設(shè)計時的標(biāo)準(zhǔn)活載，而是考慮采用經(jīng)常作用的各種實際的車輛荷載，從而計算它們所引起的各種累計損傷。因此，需要研究車輛荷載的頻值譜,也稱荷載譜。

荷載譜是將設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)橋梁構(gòu)件所經(jīng)歷的實際營運(yùn)荷載（或營運(yùn)荷載與標(biāo)準(zhǔn)活載的比值），按其大小及出現(xiàn)次數(shù)全部開列出來，又稱活載頻值譜?，F(xiàn)實中，不同大小的活載時間上出現(xiàn)的先后次序完全是隨機(jī)的，但由于研究時間較長，這種不同大小活載出現(xiàn)的先后次序一般具有相同的規(guī)律，可以認(rèn)為這個先后次序?qū)?gòu)件的疲勞破壞沒有影響，因此實踐中為了計算方便，一般按照活載的大小順序排列。構(gòu)造各裂源點受到應(yīng)力變化是疲勞開裂的直接原因，在得到活載頻值譜之后，再計算設(shè)計應(yīng)力頻值譜。應(yīng)力頻值譜應(yīng)該將橋梁使用壽命期間驗算點將受到的不同應(yīng)力脈及其次數(shù)逐個列出，大小應(yīng)力脈的先后次序一般不考慮。

制定疲勞荷載譜時必須從實際出發(fā)，進(jìn)行大量的交通調(diào)查。對于已建橋梁，可以實地調(diào)查交通量，然后統(tǒng)計分析得出比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是對于設(shè)計階段的橋梁，就必須通過調(diào)查分析，盡可能較準(zhǔn)確地預(yù)測橋梁使用壽命期內(nèi)所經(jīng)歷的荷載歷程。在制定荷載譜時應(yīng)注意以下幾個問題：短期測量得到的荷載不可能完全反映未來荷載的變化，應(yīng)考慮橋梁用途的可能改變，可能導(dǎo)致的運(yùn)量的增加及負(fù)荷變化等；動荷載產(chǎn)生動力效應(yīng)時應(yīng)考慮動力作用的影響；當(dāng)外載引起結(jié)構(gòu)的變形或振動而產(chǎn)生次效應(yīng)時，也應(yīng)考慮。

鐵路上通過的列車是有一定規(guī)律的。對于公路，經(jīng)過大量的交通量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，也可以找到一些規(guī)律，因此在應(yīng)用上可以將運(yùn)營期荷載用一種或幾種“典型列車編組”（或“標(biāo)準(zhǔn)營業(yè)車”）來代表。各典型列車、標(biāo)準(zhǔn)營業(yè)車出現(xiàn)的次數(shù)應(yīng)根據(jù)與實際營運(yùn)荷載等效的原則確定。 “典型列車編組”或“標(biāo)準(zhǔn)營業(yè)車組”疲勞驗算時稱為“疲勞車”。這樣，只需計算“疲勞車”的內(nèi)力歷程，再乘以其出現(xiàn)的累計次數(shù)，總加起來，就能得到所需要的荷載譜。

二、美國公路橋梁（AASHTO）疲勞荷載譜[1]

AASHTO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車是一輛三軸設(shè)計貨車，設(shè)計貨車的軸重、軸距及輪距見圖2-1，并規(guī)定動荷載增大15%施加于疲勞荷載上（特殊部件除外）。

圖2-1AASHTO公路橋標(biāo)準(zhǔn)疲勞車

美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定疲勞荷載的頻率應(yīng)取單車道日均貨車交通量ADTTSL。此頻率應(yīng)施加于橋梁的全部構(gòu)件，包括那些位于承受貨車數(shù)量少一些的構(gòu)件上。

當(dāng)缺少可靠的交通量資料時，單車道日平均貨車交通量取值為：

AMTTSL=P×ADTT

式中：ADTT表示在設(shè)計壽命期限內(nèi)平均每天的單向貨車數(shù)；AMTTSL表示在設(shè)計壽命期限內(nèi)平均每天的單車道貨車數(shù)；P按表2-1取用。

表2-1 單車道內(nèi)貨車交通量占的比率P

容納的車道數(shù) P

1 1.0

2 0.85

3或更多 0.80

極值力效應(yīng)也可由一條車道內(nèi)的一個145kN的軸和另一車道內(nèi)的220kN的軸，雙軸產(chǎn)生，這在理論上是可能的，但在實際設(shè)計中太過復(fù)雜，不值得。

疲勞及斷裂極限狀態(tài)是用累積應(yīng)力范圍循環(huán)來定義的，僅有荷載規(guī)范是不夠的，荷載與荷載出現(xiàn)的頻率應(yīng)一起規(guī)定。

單車道ADTT是指大部分貨車過橋時所走的那條車道的ADTT。在一座附近沒有出入匝道的橋梁時，臨近路肩的車道承受大部分貨車交通。由于將來橋梁上的交通模式不能確定，因此假定對單車道疲勞荷載的頻率適用于所有車道。

研究表明，日平均交通量ATD包括所有汽車——小汽車和貨車，在正常情況下，每條車道每天實際上限于20000輛左右。因此，在估計ADTT時，應(yīng)考慮交通的限定值。ADTT可以通過ATD乘以貨車在交通量中的比率來確定。對于常規(guī)的橋梁，對于不同的公路等級——鄉(xiāng)村州級、城市州級、其它鄉(xiāng)村公路、其它城市公路，貨車所占的比率依次為：0.20、0.15、0.15、0.10。

三、我國公路及城市橋梁荷載譜簡介

我國公路和城市道路橋梁，還沒有疲勞設(shè)計的車輛荷載譜。我國《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025—86）的1.2.17條規(guī)定：“驗算疲勞強(qiáng)度時，可根據(jù)橋梁的實際行車情況，選用實際經(jīng)常發(fā)生的荷載組合中的車輛荷載進(jìn)行計算”。但對于荷載大小、布置形式以及加載規(guī)定等均未說明。

目前我國的橋梁設(shè)計人員在作疲勞設(shè)計時選用“疲勞車”時，都基本上參照國外例如英國、美國等國家的規(guī)范規(guī)定或采用靜力強(qiáng)度設(shè)計時標(biāo)準(zhǔn)活載中的一輛重車進(jìn)行的。目前我國關(guān)于疲勞荷載譜所做的研究主要有：

（1）童樂為、沈祖炎等[2]以上海市內(nèi)環(huán)線中山路3號橋的地面橋為例，對城市道路橋梁的車輛荷載譜作了研究。他們分別于1994年和1995年對此橋作了兩次交通調(diào)查，采用了1995年交通調(diào)查的數(shù)據(jù)。得到了由18類日常典型的運(yùn)營車輛組成的荷載頻值譜。并按照等效疲勞損傷原理，從實測的車輛荷載頻值譜提煉出一種由6類模型車輛組成的、占總交通量20.17%的荷載頻值譜。

（2）王榮輝、池春等[3]于2003年對廣州市內(nèi)環(huán)線恒福路段高架橋進(jìn)行了交通調(diào)查，得到了由6類日常典型運(yùn)營車輛組成的荷載頻值譜，并根據(jù)等效疲勞損傷原理，從實測的車輛荷載頻值譜提煉出一種由2類模型車輛組成的、占總交通量16.37%的荷載頻值譜。

（3）周泳濤、鮑衛(wèi)剛等[4]以2007年交通部公路工程標(biāo)準(zhǔn)修訂項目“公路橋梁疲勞設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)”為依托，基于全國范圍內(nèi)實地調(diào)查高速公路正在運(yùn)營的各種車輛荷載狀況，從疲勞致傷理論的角度，采用數(shù)理統(tǒng)計和可靠度理論的分析方法，建立公路鋼橋疲勞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模型。

疲勞荷載譜必須具有通用性，制定必須以大量實地的橋梁交通調(diào)查為依據(jù)，需要耗費(fèi)很多人力和財力。要制定一個適用于我國實際情況的公路橋梁疲勞荷載譜，需要橋梁工作者的不懈努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]美國各洲公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會．美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范(1994)．辛濟(jì)平等譯．人民交通出版社，1997

[2]童樂為，沈際炎等．城市道路橋梁的疲勞荷載譜．土木工程學(xué)報．1997， 30（5）：20-27

[3]王榮輝，池春等．廣州市高架橋疲勞荷載車輛模型研究．華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)．2004，32（12）：94-96

[4]周泳濤，鮑衛(wèi)剛等．公路鋼橋疲勞設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)研究．土木工程學(xué)報．2010， 43（11）：79-85