從汽車(chē)荷載適用性角度研討公路橋梁設(shè)計(jì)的方法

劉偉

（滄州雙盛公路工程咨詢(xún)有限公司,河北 滄州 061000）

從汽車(chē)荷載適用性角度研討公路橋梁設(shè)計(jì)的方法

劉偉

（滄州雙盛公路工程咨詢(xún)有限公司,河北 滄州 061000）

研究如何解決汽車(chē)荷載適用性問(wèn)題，是公路橋梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一，尤其是超載超限威脅性因素的消除,更是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。論文通過(guò)調(diào)查，了解各種重型運(yùn)輸工具的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而以某公路橋梁工程為例，深入研討從汽車(chē)荷載適用性角度的公路橋梁設(shè)計(jì)方法。

汽車(chē)荷載;適用性;公路橋梁;設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.037

1 公路橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)的重型運(yùn)輸工具參數(shù)

相比于普通運(yùn)輸工具，高強(qiáng)功率和重載的運(yùn)輸車(chē)輛，是未來(lái)公路橋梁必須適應(yīng)的參數(shù)對(duì)象。在20世紀(jì)50年代，重型運(yùn)輸工具的功率最大值是150kW，80年代上升了290kW，大約增加2倍有余。另外，據(jù)其他預(yù)測(cè)參數(shù)，40年后的重型運(yùn)輸工具功率值可能會(huì)攀升至740kW。綜合這些參數(shù)，歸納了公路橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)的全部重型運(yùn)輸工具參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 公路橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)的重型運(yùn)輸工具參數(shù)

根據(jù)以上的重型運(yùn)輸工具參數(shù)，援引為公路橋梁設(shè)計(jì)的參考佐證，側(cè)面反映出重型運(yùn)輸工具在公路橋梁設(shè)計(jì)中的嚴(yán)格要求，也體現(xiàn)出公路橋梁荷載設(shè)計(jì)的重要性。

2 公路橋梁荷載設(shè)計(jì)的案例研究

為滿足以上不同類(lèi)型重型運(yùn)輸工具的荷載需求，公路橋梁的設(shè)計(jì)，從汽車(chē)荷載適應(yīng)性的角度出發(fā)，結(jié)合以上的公路橋

梁工程案例，深入研討該橋梁荷載設(shè)計(jì)的方法。

2.1 案例情況

某跨度60m的公路橋梁，有兩車(chē)道，梁體高度為1.6m，支架由混凝土灌注成型，其平面結(jié)構(gòu)狀態(tài)見(jiàn)圖1。圖1案例橋梁平面結(jié)構(gòu)

圖1 案例橋梁平面結(jié)構(gòu)

主梁混凝土等級(jí)C40，重度26kN/m3，材料質(zhì)量計(jì)入一期恒載。二期恒載則包括橋面鋪裝層和防撞墻的質(zhì)量，其中橋面鋪裝層的混凝土重度為21.6kN/m3，防撞墻的混凝土重度為20kN/m3。

為掌握案例公路橋梁的汽車(chē)荷載適用性狀態(tài)，結(jié)合關(guān)于該橋梁通過(guò)車(chē)輛荷載效應(yīng)的數(shù)據(jù)資料[1]，掌握橋梁在不同時(shí)間段的車(chē)流量狀態(tài)，數(shù)據(jù)信息見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁實(shí)測(cè)交通分布狀態(tài)

通過(guò)的車(chē)輛中，有26%屬于客車(chē)，有11%屬于貨車(chē)，有63%屬于轎車(chē)，兩軸車(chē)輛占33%，三軸車(chē)輛占15%，四軸車(chē)輛占36%，五軸車(chē)輛占4%，六軸車(chē)輛占12%。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及建模計(jì)算

用于檢測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變的測(cè)點(diǎn)，分別布置在橋梁結(jié)構(gòu)側(cè)面墩頂兩邊的上弦桿位置，其中上游側(cè)2個(gè)，下游側(cè)2個(gè)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)情況見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在測(cè)點(diǎn)布置的基礎(chǔ)上，開(kāi)始進(jìn)行建模計(jì)算，目的是掌握計(jì)入沖擊的荷載效應(yīng)，并對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)反映的應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出較為精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值。關(guān)于建模計(jì)算，本次橋梁設(shè)計(jì)采用有限元模型計(jì)算方式。其中內(nèi)力值的校正，其參考公式是計(jì)算內(nèi)力值與校正系數(shù)的乘積[2]。在計(jì)算時(shí)，校正系數(shù)的確定難度比較大，要求借助已明確車(chē)輛類(lèi)型和載重大小的貨車(chē)，沿著指定的路線，往返數(shù)次勻速經(jīng)過(guò)，然后實(shí)時(shí)記錄該輛貨車(chē)所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力值。在此基礎(chǔ)上，加載橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，最后根據(jù)實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值和計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值的比值，得出校正系數(shù)。實(shí)測(cè)所用運(yùn)輸工具規(guī)格見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)測(cè)所用運(yùn)輸工具 (單位:m)

通過(guò)有限元分析，分別得出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算軸力、計(jì)算應(yīng)變和校正應(yīng)變，計(jì)入沖擊條件下，將動(dòng)應(yīng)變最大值數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)值比等，作為橋梁設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析的對(duì)象，綜合24h的實(shí)測(cè)，完成汽車(chē)荷載效應(yīng)的分布形態(tài)，為橋梁設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的依據(jù)。

2.3 荷載效應(yīng)計(jì)算

圖5 密集運(yùn)行狀態(tài)車(chē)間距

荷載效應(yīng)計(jì)算，是在測(cè)點(diǎn)布置和建模計(jì)算的基礎(chǔ)上，借用動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)量出車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其中在密集運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，最能體現(xiàn)汽車(chē)荷載的適用性狀態(tài)。密集運(yùn)行狀態(tài)下的汽車(chē)，車(chē)間距可依據(jù)有關(guān)規(guī)范及可靠度調(diào)查得出，并通過(guò)蒙特卡方式隨機(jī)生成數(shù)據(jù)[3]。通過(guò)調(diào)查檢測(cè)，案例橋梁在密集運(yùn)行狀態(tài)下的汽車(chē)間隔距離，呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布，見(jiàn)圖5。

利用圖5顯示的數(shù)據(jù)，計(jì)算汽車(chē)荷載效應(yīng)，其中包括正彎矩、負(fù)彎矩、支點(diǎn)剪力等的計(jì)算，都是以1m為步長(zhǎng)基本單位，在影響線移動(dòng)加載時(shí)，最后得出各自的最大值。對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)支梁計(jì)算跨徑的荷載變化，需要依次從5～70m的直線距離評(píng)價(jià)，即可得出設(shè)計(jì)荷載與實(shí)際車(chē)輛之間的差異值[4]。計(jì)算結(jié)果所體現(xiàn)的最終數(shù)據(jù)信息，是車(chē)流產(chǎn)生的最大荷載效應(yīng)，超過(guò)公路-I級(jí)設(shè)計(jì)荷載的效應(yīng)值，甚至是公路I-級(jí)的2倍以上，其中中小跨徑結(jié)果影響較大，需要重點(diǎn)注意。

2.4 針對(duì)汽車(chē)荷載的設(shè)計(jì)思路

1）應(yīng)對(duì)汽車(chē)荷載沖擊力。由于橋面的不平整，或者通過(guò)車(chē)輛車(chē)輪本身的問(wèn)題，會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的震動(dòng)和沖擊影響，久而久之會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形。對(duì)此建議針對(duì)應(yīng)力現(xiàn)象，結(jié)合沖擊系數(shù)的大小，根據(jù)橋梁各種參數(shù)計(jì)算得出，在跨徑20m時(shí)，對(duì)應(yīng)0.2的沖擊系數(shù)，在跨徑150m時(shí)，對(duì)應(yīng)0.1的沖擊系數(shù)，即對(duì)計(jì)算結(jié)果做相應(yīng)提高[5]。

2）應(yīng)對(duì)汽車(chē)荷載離心力。根據(jù)有關(guān)的曲線理論，在半徑不大于250m時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)車(chē)速和曲線半徑，計(jì)算得出離心力系數(shù)。

3）應(yīng)對(duì)汽車(chē)荷載土側(cè)壓力。汽車(chē)荷載影響后，橋臺(tái)和擋土墻后面的填土受到破壞，會(huì)產(chǎn)生土側(cè)壓力。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)換填土層的重力密度、車(chē)輪總重力大小、換填土破壞棱體長(zhǎng)度大小、橋臺(tái)橫向?qū)挾?、擋土墻長(zhǎng)度等，計(jì)算出換填土層的厚度。

4）應(yīng)對(duì)汽車(chē)荷載制動(dòng)力。汽車(chē)在橋梁行駛時(shí)制動(dòng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦影響，如果橋梁行車(chē)條件不佳，汽車(chē)出于正常行駛需求，緊急剎車(chē)頻率相對(duì)會(huì)比較高。本橋梁屬于同向行駛的雙車(chē)道，設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載是公路-Ⅱ級(jí)，要求荷載制動(dòng)力的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值大于180kN，原則上不超過(guò)汽車(chē)荷載總質(zhì)量的10%。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，公路橋梁的設(shè)計(jì)中，汽車(chē)荷載適用性的考慮，是其中的一個(gè)重要前提，期間需要根據(jù)橋梁具體的結(jié)構(gòu)形態(tài)需求，在橋梁布置測(cè)點(diǎn)并建模計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算得出的荷載效應(yīng)大小，針對(duì)汽車(chē)的荷載沖擊力、離心力、土側(cè)壓力、制動(dòng)力等，針對(duì)性完成設(shè)計(jì)工作。文章通過(guò)研究，基本明確了案例橋梁在汽車(chē)荷載適用性角度的設(shè)計(jì)方法，但考慮到不同橋梁對(duì)汽車(chē)荷載適用性要求的差異性，以及不同橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件的不同，以上方法在其他橋梁工程設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，務(wù)必結(jié)合具體工程的實(shí)際設(shè)計(jì)要求，予以靈活地參考借鑒。

【1】阮懷圣,馬潤(rùn)平.美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載的研究[J].世界橋梁,2012(1):65-69.

【2】劉軍.汽車(chē)荷載離心力作用下彎坡連續(xù)剛構(gòu)橋內(nèi)力響應(yīng)[J].公路與汽運(yùn),2015(6):143-146.

【3】阮欣,周軍勇,雪飛.隨機(jī)車(chē)流作用下多塔斜拉橋總體荷載響應(yīng)特性[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2014(1)：25-30.

【4】周勇軍,孫婧,梁玉照.公路橋梁設(shè)計(jì)荷載基本組合的分項(xiàng)系數(shù)值及其效應(yīng)對(duì)比[J].公路,2012(1):103-107.

【5】黃俤俤.基于汽車(chē)荷載試驗(yàn)和車(chē)輛荷載調(diào)查的空腹式箱拱橋極限承載力評(píng)定[J].福建交通科技,2014(3):44-48.

Discussion on Highway Bridge Design form the Point of Motor Load Applicability

LIU Wei
(Cangzhou Shuangsheng Highway EngineeringConsulting Co.Ltd.,Cangzhou 061000,China)

Howto solve the question of the applicability vehicle load,road bridge design is one of the points,in particular the overload factorthreateningtheelimination,weneedtofocusregardeddesignwork.Throughinvestigation,tounderstandall kindsofheavyvehicles design parameters,and then to a highway bridge engineering,for example,in-depth discussions from the car load angle applicability of highwaybridgedesign.

vehicleload;applicability;roadsandbridges;design

U442

A

1007-9467（2016）07-0144-03

2016-05-04

劉偉（1985～），男，河北滄州人，工程師，從事公路、橋梁設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）79234043@qq.com。