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。
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。
2.1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。
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)。
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)。
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:
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。
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