中美公路橋梁規(guī)范設(shè)計(jì)汽車荷載對比

閆保民， 李松輝

(山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266590)

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中美公路橋梁規(guī)范設(shè)計(jì)汽車荷載對比

閆保民， 李松輝

(山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266590)

摘要：為對我國汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值在目前所處世界水平有較為客觀的定位，同時，為我國將來公路橋梁新規(guī)范的修訂建立基礎(chǔ)。首先闡述中國新舊規(guī)范以及美國HL-93規(guī)范對設(shè)計(jì)汽車荷載的規(guī)定；其次以6、8、10、13、16、20、25、30 m不同跨徑T型截面簡支梁橋?yàn)榛鶞?zhǔn)，系統(tǒng)推算不同跨徑T型簡支梁橋在中美規(guī)范規(guī)定汽車荷載作用下的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力；最后，系統(tǒng)對比分析荷載效應(yīng)的絕對值與相對值。研究結(jié)果表明：與美國規(guī)范相比，中國規(guī)范相對來說較為保守，且不夠直觀，我國現(xiàn)行汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在國際上大致處于中等位置，在考慮與原規(guī)范聯(lián)系性的基礎(chǔ)上適當(dāng)借鑒美國規(guī)范。

關(guān)鍵詞：汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)；跨中彎矩；支點(diǎn)剪力；荷載效應(yīng)對比；中美

汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)是公路橋梁設(shè)計(jì)重要依據(jù)之一，是設(shè)定安全可靠的鑒定荷載標(biāo)準(zhǔn)的首要前提。橋梁的安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性與汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的合理性有著密不可分的關(guān)系，通過與國外汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的對比，找出自身的不足，從而予以改善。專家在研究不同國家之間荷載規(guī)范的基礎(chǔ)上，得知我國現(xiàn)行規(guī)范的汽車荷載代表值中的標(biāo)準(zhǔn)值相當(dāng)于美國規(guī)范中的汽車荷載值，均是依靠不同的分項(xiàng)系數(shù)來滿足不同極限狀態(tài)要求[1]，且美國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容全面，在總體上運(yùn)用了結(jié)構(gòu)可靠度理論[2]，故比較我國與美國AASHTO FRLD中的汽車荷載代表值之間的區(qū)別，比較具有實(shí)在意義。本文將我國規(guī)范與美國HL-93規(guī)范規(guī)定的汽車荷載分別作用到不同跨徑簡支梁橋上，計(jì)算最不利布載下的跨中彎矩值、支點(diǎn)剪力值，經(jīng)過對比分析，研究二者的區(qū)別與聯(lián)系。

1 中國汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)

1.1 中國1985規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值

我國的1985規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用車隊(duì)模式，其中包括汽-10級、汽-15級、汽車-20級、汽車-超20級荷載標(biāo)準(zhǔn)[3]，本文將汽-20級、汽-超20級進(jìn)行對比分析，如圖1所示。采用車隊(duì)模式比較直觀、容易理解，但是對于大型且較為復(fù)雜的橋梁動態(tài)加載來說，計(jì)算效率比較低，較為復(fù)雜。

1.2 中國2004規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值

我國現(xiàn)行2004規(guī)范汽車荷載分為公路-I級和公路-II級兩個等級，是在公路橋梁可靠度研究的基礎(chǔ)上，由車道荷載和車輛荷載組成，車道荷載由均布荷載和一個集中力組成[4]。車道荷載與車輛荷載模式差別在于，前者適用于結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算，后者則適用于橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載，如涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計(jì)算,且二者作用效果不可疊加。車道荷載模式如圖2所示，我國現(xiàn)行規(guī)范(2004規(guī)范)關(guān)于汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定，如下表1所示。

對于公路-I級汽車荷載，汽車荷載按表1取值；對于公路-II級汽車荷載，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值按公路-I級相應(yīng)的0.75倍計(jì)算。

1.3 實(shí)際運(yùn)營汽車荷載

公路橋梁嚴(yán)格按照已有的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，而實(shí)際運(yùn)營的汽車荷載與標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載之間往往存在差距，從而影響橋梁的安全性與耐久性。根據(jù)交通部頒布的《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]，定期對橋梁承載能力及其使用條件進(jìn)行檢測必不可少。其中，美國AASHTO的《橋梁評估手冊》中基于橋梁檢測的橋梁負(fù)荷評級方法[6]，值得我國學(xué)習(xí)與借鑒。

2 美國AASHTO汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)

HL-93汽車荷載模型建立的背景在于對特殊車輛(如固體垃圾車和混凝土攪拌車)的研究，由于特殊車輛的重量一般大于法定荷載，且每次設(shè)計(jì)計(jì)算中單獨(dú)考慮特殊車輛的作用較為麻煩，故在與特殊車輛產(chǎn)生的極端荷載效應(yīng)相同的原則下，建立了HL-93汽車荷載模型。該規(guī)范包括三部分：設(shè)計(jì)車輛荷載，設(shè)計(jì)車隊(duì)荷載，設(shè)計(jì)車道荷載[7]，如圖3所示。

圖3(a)中車輛荷載驅(qū)動軸(145 kN)與后軸(145 kN)間距變化范圍在4.39 m之間，從而產(chǎn)生極值效應(yīng)。圖3(b)設(shè)計(jì)車隊(duì)荷載包括重為110 kN、間距為1.2 m的兩輛車，車輪的橫向間距1.8 m。圖3(c)中的設(shè)計(jì)車道荷載包括分布于縱向的均布荷載，橫向則假定為在3 m范圍內(nèi)的均勻分布。

表1 我國2004規(guī)范關(guān)于汽車荷載代表值的規(guī)定

AASHTO規(guī)定，產(chǎn)生極限荷載效應(yīng)的組合包括：設(shè)計(jì)車隊(duì)與設(shè)計(jì)車道荷載的組合效應(yīng)；設(shè)計(jì)車輛荷載與設(shè)計(jì)車道荷載的組合效應(yīng)；兩輛設(shè)計(jì)車輛(兩車間距至少15 m)效應(yīng)的90%與設(shè)計(jì)車道荷載效應(yīng)的90%組合，每輛汽車145 kN軸的距離取用4.3 m，用于計(jì)算處于均布荷載作用下反彎曲點(diǎn)之間的負(fù)彎矩和內(nèi)部橋墩的反力作用。

3 中美汽車荷載沖擊系數(shù)

沖擊作用，即由于汽車荷載的動力因素，對橋梁內(nèi)力或變形增大的影響。沖擊作用影響復(fù)雜，對于鋼筋混凝土橋，各國規(guī)范采用汽車荷載靜力作用效應(yīng)乘以系數(shù)(Hμ)的方式來表達(dá)。

中國1985規(guī)范規(guī)定：沖擊系數(shù)μ作為跨徑的函數(shù)，當(dāng)跨徑L≤5m時，μ=0.3；當(dāng)L≥45m時，μ=0。中國2004規(guī)范規(guī)定：沖擊系數(shù)作為橋梁基頻的函數(shù)，當(dāng)f<1.5 Hz時，μ=0.05；當(dāng)1.5 Hz≤f≤14 Hz時，μ=0.176 7 lnf-0.015 7；當(dāng)f>14 Hz時，μ=0.45。

結(jié)合內(nèi)插法計(jì)算得出不同規(guī)范汽車荷載對不同跨徑簡支梁橋的沖擊系數(shù)，如表2所示。事實(shí)上，造成沖擊的原因主要在于三點(diǎn)：車輪不圓，路面不平，車輛發(fā)動機(jī)的抖動[8]。結(jié)果表明，對于中小跨徑橋梁，隨著跨徑的增大，沖擊系數(shù)呈減小趨勢，且中國比美國規(guī)范減小的速度要快，可見我國公路橋梁在路面平整度上有待于提高。關(guān)于我國規(guī)范規(guī)定的沖擊系數(shù)取值有待進(jìn)一步研究與探討。

表2 中美規(guī)范不同跨徑簡支梁橋汽車荷載沖擊系取值

4 中美汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)對比

4.1 汽車荷載效應(yīng)計(jì)算

根據(jù)對各跨徑簡支梁跨中彎矩及支點(diǎn)剪力影響線進(jìn)行最不利荷載布置計(jì)算分析，并考慮沖擊系數(shù)的影響，得到荷載效應(yīng)值，詳見圖4。

4.2中美規(guī)范汽車荷載效應(yīng)比值

為了更加清楚直觀的對比中美規(guī)范汽車荷載效應(yīng)，現(xiàn)將跨中彎矩效應(yīng)比值、支點(diǎn)剪力效應(yīng)比值分別以散點(diǎn)圖的形式表現(xiàn)出來，從而觀察1985規(guī)范與2004規(guī)范在美國規(guī)范(縱軸為100%)處的波動范圍，見圖5。

4.3 中美兩國荷載效應(yīng)對比分析

通過最不利布載方式，初步計(jì)算出中美規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)，分析結(jié)果表明：

(1)從圖4中可以看出，隨著跨徑的增加，中國與美國橋梁汽車荷載在簡支梁上產(chǎn)生的效應(yīng)值總體趨勢相同，但是荷載效應(yīng)值的大小差異較為明顯，美國規(guī)范較我國1985規(guī)范的公路-I級產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)值較為接近，隨著橋梁跨徑的增大，跨徑為30 m時，中國比美國大約14.7%，且隨著跨徑的增大，差距逐漸增大。其中，汽-20級產(chǎn)生的內(nèi)力最小[9]。

(2)美國規(guī)范產(chǎn)生的剪力荷載效應(yīng)值與汽-超20級較為接近，簡支梁跨徑為8～12 m之間，美國小于后者，隨著跨徑增大，前者小于后者約4%～6%，且差距逐漸趨于穩(wěn)定。我國現(xiàn)行2004規(guī)范中的公路-I、公路-II級相比美國，簡支梁支點(diǎn)剪力效應(yīng)值則差距較大，前者比后者小約15%～20%，這與我國治超水平可能有較大關(guān)系[10]。

(3)從彎矩組合效應(yīng)值來看，相比美國規(guī)范，中國規(guī)范相對比較安全，與公路-I級相差不大，也證明我國現(xiàn)行規(guī)范相對比較合理，但是從剪力組合效應(yīng)值來看，美國規(guī)范與汽-超20級較為接近，但是公路-I級比美國規(guī)范小約20%～30%，可見，在汽車荷載設(shè)計(jì)值上，美國規(guī)范優(yōu)于中國現(xiàn)行規(guī)范。

(4)已知中國公路-I級相比1985規(guī)范的汽車荷載模型來說，比較簡單，計(jì)算起來比較方便，但是相對不如1985規(guī)范、美國規(guī)范來的直觀。因?yàn)楹笳吲c汽車軸距、軸重都有關(guān)系。

5 結(jié)論

中國橋梁規(guī)范中的設(shè)計(jì)汽車荷載相比美國規(guī)范來說，比較保守。從彎矩效應(yīng)值對比可知，我國公路-I級與美國規(guī)范比較接近，我國現(xiàn)行規(guī)范在國際上處于中等行列。從剪力效應(yīng)值對比中發(fā)現(xiàn)，我國的汽車-超20級與HL-93規(guī)范較為接近，可知我國的1985規(guī)范以軸力形式展現(xiàn)的汽車荷載模型具有一定的代表性，這是我國2004規(guī)范所不具備的。

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(責(zé)任編輯王利君)

Study of vehicle load between China and America in bridge design specification

YAN Bao-min, LI Song-hui

(Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590, China)

Abstract：In order to have a more objective position on the world level of the standard value of vehicle load in China and make a foundation for the revision of the resent standard of Highway Bridge. This paper has explained the China’s new and old code and the United States HL-93 specification for the design of vehicle loads, then take 6, 8, 10, 13,16, 20,30 meters long span bridge with T shaped beam for example, to make a systematic calculates of mid-span moment and shear force at supporting point of T-shaped beam, which is under the action of vehicle load in the Chinese and American Codes. In the end, the absolute value and the relative value of the load effect are analyzed systematically. The results show that: compared with the United States, the Chinese standard is relatively conservative and not intuitive, China’s current vehicle load standard specification in the international is roughly in the middle position, considering the contact with the original specification, the appropriate reference to the United States.

Key words：characteristic value of vehicle load; mid-span moment; shear force at supporting point; comparison of load effect；

中圖分類號：U447

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0053-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.012

作者簡介：閆保民(1989-)，女，山東菏澤人，碩士，主要從事橋梁檢測與安全性評估方面的研究。

基金項(xiàng)目：山東省交通科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2010Y01-2)；舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京)開放課題(Jqkf2011-14)

收稿日期：2015-11-20