張永強(qiáng)
(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司陜西西安 710000)
公路橋梁設(shè)計荷載及其組合探討
張永強(qiáng)
(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司陜西西安710000)
橋梁設(shè)計是整個公路工程的重點,同時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,為了目前運輸行業(yè)的實際要求得到滿足,同時也為了與目前運輸行業(yè)快速發(fā)展的情況相適應(yīng),針對這一問題展開分析很有必要。鑒于此,筆者首先對我國公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單的概述,然后提出了車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;荷載;組合
近年來隨著我國社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,交通運輸模式也發(fā)生了比較大的變化,交通車輛的增長速度不斷加快,同時我國在交通運輸方面的政策也發(fā)生了變化,在這種情況下公路橋梁車輛荷載也出現(xiàn)較大變化。隨著礦業(yè)與煤業(yè)等運輸?shù)膶嶋H需要,不同地區(qū)超載車輛頻頻出現(xiàn),車輛超載運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。鑒于此,筆者針對自己多年來在公路橋梁設(shè)計領(lǐng)域中的工作經(jīng)驗進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),并將其融入到本文對公路橋梁設(shè)計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一些啟示。
從2004年開始公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)將汽車荷載從原來的車隊荷載模式轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)在的車道荷載模式,經(jīng)過一番細(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,與我國未來很長一段時間內(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題。
2.1隨機(jī)過程基本理論
隨機(jī)過程理論在數(shù)學(xué)研究領(lǐng)域中會經(jīng)常用到,其利用目的主要在于對一種隨機(jī)現(xiàn)象隨著時間變化而出現(xiàn)變化的規(guī)律進(jìn)行研究,隨機(jī)過程的定義為:假設(shè)對每個參數(shù)來說有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)期是在概率分析過程中經(jīng)常使用的一種方式,主要是指在公路橋梁設(shè)計過程中,對建筑工程使用壽命及工程結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行考慮的時候,需要與不同影響因素、時間、變量之間的關(guān)系相結(jié)合,才能對工程可靠度進(jìn)行計算。
在我國的相關(guān)規(guī)定中,車輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值是在工程實際中計算出來的,在計算過程中以基準(zhǔn)期有效數(shù)據(jù)為根據(jù)展開計算,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)期對車輛荷載效應(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)計中所采用的基準(zhǔn)期是100年,所以按照上面的公式,可以對公路橋梁設(shè)計車輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值重現(xiàn)期進(jìn)行準(zhǔn)確的計算,為2000年。
2.3車輛荷載效應(yīng)計算理論
這一計算理論也由兩部分構(gòu)成:①影響線的計算;②有關(guān)橫向分布系數(shù)的計算。在工程結(jié)構(gòu)力學(xué)中,在實際數(shù)值計算中,影響線都具有非常重要的位置,是經(jīng)常使用的一種計算方法。影響線表示結(jié)構(gòu)中由沿結(jié)構(gòu)跨度移動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,在橋面上行駛的車輛,輪跡的橫向分布是不均勻的,實際上車輛輪跡具有一定寬度,車輛通過時只能覆蓋一小部分,因此,橋面橫斷面上各個點所受到的軸載作用次數(shù),僅為通過該斷面軸載總數(shù)的一部分,對于橋面橫斷面上某一寬度范圍內(nèi)所受到的車輛作用次數(shù)同通過該橫斷面總作用次數(shù)的比值,稱為該斷面輪跡橫向分布系數(shù)。
從20世紀(jì)30年代初開始,國際上的很多專家針對公路橋梁空間設(shè)計理論進(jìn)行了深入的研究,并將其研究和設(shè)計中橫向分布系數(shù)計算得到的理論結(jié)合在一起,最終將原本非常復(fù)雜的計算過程變成了簡單的平面計算問題。
以上就是針對公路橋梁設(shè)計中相關(guān)基本理論的一些介紹,主要涉及到隨機(jī)過程基本理論、車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值基本理論、車輛荷載效應(yīng)計算等,這些基本理論在公路橋梁設(shè)計工作中非常重要。
從我國公路橋梁設(shè)計的相關(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)計的時候,可以將車輛受到的離心力作為一種荷載進(jìn)行計算。當(dāng)彎道橋的曲線半徑等于或小于0.25km時,應(yīng)計算汽車荷載引起的離心力。如果這時我們假設(shè)離心力系數(shù)為C,設(shè)計規(guī)定速度為V(km/h),曲率半徑是R(m),那么則有:
在實際計算過程中,對多車道公路橋梁車輛荷載離心力,車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以規(guī)定的橫向折減系數(shù),這樣一來相關(guān)數(shù)據(jù)將會更加符合實際,然后再繼續(xù)進(jìn)行橫向計算。建議在離心力著力點選擇的時候應(yīng)選擇與彎曲面相距1.2m以上的地方,或者將著力點放在橋面上,但不計由于著力點移動引起的作用效應(yīng)。
利用一周的實踐對各時段內(nèi)的交通流量、不停車道交通流量等因素展開了深入的對比分析,并對車輛離心力的隨機(jī)車輛計算程序進(jìn)行了編制,并和國家規(guī)范離心率進(jìn)行比較,得到這樣的結(jié)論:按照實測統(tǒng)計結(jié)果來看,利用隨機(jī)車流產(chǎn)生程序以及車輛離心力計算的相關(guān)程序,可以得到不同曲線半徑下公路橋梁上汽車離心力的標(biāo)準(zhǔn)值,利用對不同車速下離心力的標(biāo)準(zhǔn)值以及我國標(biāo)準(zhǔn)值之間的比較分析可以看出,目前我國實行的規(guī)范中離心力和實際車輛離心力并不適應(yīng)。
所謂車輛荷載效應(yīng)實際上是指對實際測量車輛統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的車輛荷載效應(yīng)進(jìn)行建立,從上文中介紹的計算公式中,可以對橋梁工程彎曲曲率半徑和力矩之間的組合值進(jìn)行計算,將兩路段數(shù)據(jù)帶入到公式中,就可以計算出組合效應(yīng)值以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值,利用二者之間的比值可以對曲率半徑和力矩在不同情況下的統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行計算,具體公式如下:
各種公路橋梁結(jié)構(gòu)的重要性都不相同,不同等級的公路橋梁是通過不同系數(shù)進(jìn)行表示的,現(xiàn)階段我國公路橋梁根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果及嚴(yán)重程度劃分為三個等級,一級、二級和三級對應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取值分別為1.1、1.0和0.9,但對于有特殊要求的公路橋梁,其結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性系數(shù)應(yīng)根據(jù)實際研究確定。
綜上所述,從整體上來看,目前我國公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)始終處于比較低的水平。此外,隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,交通運輸業(yè)得到了空前的發(fā)展,這種情況下,對公路橋梁荷載能力也提出了相對較高的要求。在實際設(shè)計過程中我們可以對我國不同地區(qū)之間車流量及車輛荷載上存在的差異進(jìn)行充分的考慮,利用不同地區(qū)之間車流量及車輛荷載上存在的差異,對我國不同地區(qū)的公路橋梁安全系數(shù)提出具體要求,這樣一來,不僅可以使公路橋梁荷載使當(dāng)?shù)匕l(fā)展要求得到滿足,同時還可以有效避免一些不必要浪費的發(fā)生。
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