公路橋梁設(shè)計(jì)荷載及其組合探討

張永強(qiáng)

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安　710000）

公路橋梁設(shè)計(jì)荷載及其組合探討

張永強(qiáng)

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西西安710000）

橋梁設(shè)計(jì)是整個(gè)公路工程的重點(diǎn)，同時(shí)橋梁工程又在公路工程中起到了重要的樞紐性作用，設(shè)計(jì)工作中工程荷載標(biāo)準(zhǔn)值直接關(guān)系到工程交付使用之后的安全性，為了目前運(yùn)輸行業(yè)的實(shí)際要求得到滿(mǎn)足，同時(shí)也為了與目前運(yùn)輸行業(yè)快速發(fā)展的情況相適應(yīng)，針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)分析很有必要。鑒于此，筆者首先對(duì)我國(guó)公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，然后提出了車(chē)輛荷載研究的幾種基本理論，以供同行進(jìn)行參考。

公路橋梁設(shè)計(jì)；荷載；組合

近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，交通運(yùn)輸模式也發(fā)生了比較大的變化，交通車(chē)輛的增長(zhǎng)速度不斷加快，同時(shí)我國(guó)在交通運(yùn)輸方面的政策也發(fā)生了變化，在這種情況下公路橋梁車(chē)輛荷載也出現(xiàn)較大變化。隨著礦業(yè)與煤業(yè)等運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需要，不同地區(qū)超載車(chē)輛頻頻出現(xiàn)，車(chē)輛超載運(yùn)輸使得公路橋梁的使用壽命大大縮短，因此現(xiàn)階段公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)是否需要繼續(xù)使用已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。鑒于此，筆者針對(duì)自己多年來(lái)在公路橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，并將其融入到本文對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)荷載及其組合的相關(guān)探討之中，相信一定可以為同行的研究帶來(lái)一些啟示。

1　我國(guó)公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

從2004年開(kāi)始公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)將汽車(chē)荷載從原來(lái)的車(chē)隊(duì)荷載模式轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)在的車(chē)道荷載模式，經(jīng)過(guò)一番細(xì)致比較之后，提出了均布荷載與集中荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，使我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)用水平得到了整體上的提高，與我國(guó)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展需求相適應(yīng)。在荷載標(biāo)準(zhǔn)中，多數(shù)參數(shù)的確定是利用優(yōu)化法得到的，這也是很難避免的問(wèn)題。

2　車(chē)輛荷載研究的幾種基本理論

2.1隨機(jī)過(guò)程基本理論

隨機(jī)過(guò)程理論在數(shù)學(xué)研究領(lǐng)域中會(huì)經(jīng)常用到，其利用目的主要在于對(duì)一種隨機(jī)現(xiàn)象隨著時(shí)間變化而出現(xiàn)變化的規(guī)律進(jìn)行研究，隨機(jī)過(guò)程的定義為：假設(shè)對(duì)每個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)有t∈T，假設(shè)隨機(jī)變量是X（t，ω），隨機(jī)變量XT={X（t，ω），t∈T}就是某一隨機(jī)變量的隨機(jī)函數(shù)。

2.2車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值基本理論

這一基本理論主要由兩部分構(gòu)成：①基準(zhǔn)期；②重現(xiàn)期和荷載標(biāo)準(zhǔn)值。其中，基準(zhǔn)期是在概率分析過(guò)程中經(jīng)常使用的一種方式，主要是指在公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)建筑工程使用壽命及工程結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行考慮的時(shí)候，需要與不同影響因素、時(shí)間、變量之間的關(guān)系相結(jié)合，才能對(duì)工程可靠度進(jìn)行計(jì)算。

在我國(guó)的相關(guān)規(guī)定中，車(chē)輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值是在工程實(shí)際中計(jì)算出來(lái)的，在計(jì)算過(guò)程中以基準(zhǔn)期有效數(shù)據(jù)為根據(jù)展開(kāi)計(jì)算，取基準(zhǔn)期的最高效率，它的分布值是0.95的相關(guān)數(shù)據(jù)。此外，還可以利用重現(xiàn)期對(duì)車(chē)輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行表達(dá)，相關(guān)公式為：

我國(guó)相關(guān)公路橋梁規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了，在公路橋梁工程設(shè)計(jì)中所采用的基準(zhǔn)期是100年，所以按照上面的公式，可以對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值重現(xiàn)期進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，為2000年。

2.3車(chē)輛荷載效應(yīng)計(jì)算理論

這一計(jì)算理論也由兩部分構(gòu)成：①影響線的計(jì)算；②有關(guān)橫向分布系數(shù)的計(jì)算。在工程結(jié)構(gòu)力學(xué)中，在實(shí)際數(shù)值計(jì)算中，影響線都具有非常重要的位置，是經(jīng)常使用的一種計(jì)算方法。影響線表示結(jié)構(gòu)中由沿結(jié)構(gòu)跨度移動(dòng)的單位載荷引起的內(nèi)力、位移或反力等的數(shù)值隨單位載荷作用位置變化的曲線，可用于確定在多種載荷共同作用下的影響值，也可用于確定結(jié)構(gòu)上移動(dòng)載荷的最不利位置。橫向分布系數(shù)在橋梁橫向布載上非常重要，在橋面上行駛的車(chē)輛，輪跡的橫向分布是不均勻的，實(shí)際上車(chē)輛輪跡具有一定寬度，車(chē)輛通過(guò)時(shí)只能覆蓋一小部分，因此，橋面橫斷面上各個(gè)點(diǎn)所受到的軸載作用次數(shù)，僅為通過(guò)該斷面軸載總數(shù)的一部分，對(duì)于橋面橫斷面上某一寬度范圍內(nèi)所受到的車(chē)輛作用次數(shù)同通過(guò)該橫斷面總作用次數(shù)的比值，稱(chēng)為該斷面輪跡橫向分布系數(shù)。

從20世紀(jì)30年代初開(kāi)始，國(guó)際上的很多專(zhuān)家針對(duì)公路橋梁空間設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了深入的研究，并將其研究和設(shè)計(jì)中橫向分布系數(shù)計(jì)算得到的理論結(jié)合在一起，最終將原本非常復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程變成了簡(jiǎn)單的平面計(jì)算問(wèn)題。

以上就是針對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)中相關(guān)基本理論的一些介紹，主要涉及到隨機(jī)過(guò)程基本理論、車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值基本理論、車(chē)輛荷載效應(yīng)計(jì)算等，這些基本理論在公路橋梁設(shè)計(jì)工作中非常重要。

3　有關(guān)車(chē)輛離心力的研究

從我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定中可以看出，一些存在轉(zhuǎn)彎的公路橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以將車(chē)輛受到的離心力作為一種荷載進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)彎道橋的曲線半徑等于或小于0.25km時(shí)，應(yīng)計(jì)算汽車(chē)荷載引起的離心力。如果這時(shí)我們假設(shè)離心力系數(shù)為C，設(shè)計(jì)規(guī)定速度為V（km/h），曲率半徑是R（m），那么則有：

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，對(duì)多車(chē)道公路橋梁車(chē)輛荷載離心力，車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以規(guī)定的橫向折減系數(shù)，這樣一來(lái)相關(guān)數(shù)據(jù)將會(huì)更加符合實(shí)際，然后再繼續(xù)進(jìn)行橫向計(jì)算。建議在離心力著力點(diǎn)選擇的時(shí)候應(yīng)選擇與彎曲面相距1.2m以上的地方，或者將著力點(diǎn)放在橋面上，但不計(jì)由于著力點(diǎn)移動(dòng)引起的作用效應(yīng)。

4　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)車(chē)輛離心力標(biāo)準(zhǔn)值

利用一周的實(shí)踐對(duì)各時(shí)段內(nèi)的交通流量、不停車(chē)道交通流量等因素展開(kāi)了深入的對(duì)比分析，并對(duì)車(chē)輛離心力的隨機(jī)車(chē)輛計(jì)算程序進(jìn)行了編制，并和國(guó)家規(guī)范離心率進(jìn)行比較，得到這樣的結(jié)論：按照實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，利用隨機(jī)車(chē)流產(chǎn)生程序以及車(chē)輛離心力計(jì)算的相關(guān)程序，可以得到不同曲線半徑下公路橋梁上汽車(chē)離心力的標(biāo)準(zhǔn)值，利用對(duì)不同車(chē)速下離心力的標(biāo)準(zhǔn)值以及我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)值之間的比較分析可以看出，目前我國(guó)實(shí)行的規(guī)范中離心力和實(shí)際車(chē)輛離心力并不適應(yīng)。

5　車(chē)輛荷載效應(yīng)

所謂車(chē)輛荷載效應(yīng)實(shí)際上是指對(duì)實(shí)際測(cè)量車(chē)輛統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的車(chē)輛荷載效應(yīng)進(jìn)行建立，從上文中介紹的計(jì)算公式中，可以對(duì)橋梁工程彎曲曲率半徑和力矩之間的組合值進(jìn)行計(jì)算，將兩路段數(shù)據(jù)帶入到公式中，就可以計(jì)算出組合效應(yīng)值以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，利用二者之間的比值可以對(duì)曲率半徑和力矩在不同情況下的統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：

6　橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

各種公路橋梁結(jié)構(gòu)的重要性都不相同，不同等級(jí)的公路橋梁是通過(guò)不同系數(shù)進(jìn)行表示的，現(xiàn)階段我國(guó)公路橋梁根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果及嚴(yán)重程度劃分為三個(gè)等級(jí)，一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值分別為1.1、1.0和0.9，但對(duì)于有特殊要求的公路橋梁，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際研究確定。

7　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從整體上來(lái)看，目前我國(guó)公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)始終處于比較低的水平。此外，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)得到了空前的發(fā)展，這種情況下，對(duì)公路橋梁荷載能力也提出了相對(duì)較高的要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中我們可以對(duì)我國(guó)不同地區(qū)之間車(chē)流量及車(chē)輛荷載上存在的差異進(jìn)行充分的考慮，利用不同地區(qū)之間車(chē)流量及車(chē)輛荷載上存在的差異，對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的公路橋梁安全系數(shù)提出具體要求，這樣一來(lái)，不僅可以使公路橋梁荷載使當(dāng)?shù)匕l(fā)展要求得到滿(mǎn)足，同時(shí)還可以有效避免一些不必要浪費(fèi)的發(fā)生。

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2015-6-13