車輛荷載和車道荷載在橋梁設(shè)計(jì)中的對(duì)比研究

何余良 吳旭東 周昭欣

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000)

車輛荷載和車道荷載在橋梁設(shè)計(jì)中的對(duì)比研究

何余良 吳旭東 周昭欣

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000)

在公路橋涵設(shè)計(jì)時(shí)，汽車荷載分為車輛荷載和車道荷載兩種形式，在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ 021—89)中是要求應(yīng)用車輛荷載對(duì)橋涵進(jìn)行設(shè)計(jì)，而在《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)中則是要求采用車道荷載對(duì)橋涵進(jìn)行設(shè)計(jì).為研究新舊規(guī)范中不同的汽車荷載形式對(duì)實(shí)際橋涵工程設(shè)計(jì)的影響，文章通過(guò)實(shí)際算例采用兩種不同汽車荷載形式進(jìn)行驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)兩種不同荷載形式對(duì)實(shí)際橋涵的內(nèi)力計(jì)算有一定的影響.同時(shí)研究了在不同參數(shù)變化下兩種汽車荷載形式對(duì)實(shí)際橋涵的內(nèi)力計(jì)算的影響.計(jì)算結(jié)果表明，車道荷載在橋梁設(shè)計(jì)中相比于車輛荷載更偏于安全.

橋梁工程；車輛荷載；車道荷載；橫隔梁；主梁

0 引言

自2004年交通部頒布并實(shí)施的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[1](JTG D 60—2004)(以下簡(jiǎn)稱新規(guī)范)以來(lái)，為了與1989年頒布實(shí)施的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2](JTJ 021—89)(以下簡(jiǎn)稱舊規(guī)范)進(jìn)行比較，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了許多關(guān)于新舊規(guī)范的不同對(duì)橋梁內(nèi)力計(jì)算影響的研究.吳騰[3]通過(guò)實(shí)際算例比較了新舊規(guī)范中汽車荷載引起的簡(jiǎn)支橋撓度、彎矩、剪力的大小，認(rèn)為它們會(huì)隨著跨徑的增大而增大.黃進(jìn)軍[4]建立了新舊規(guī)范汽車荷載作用在簡(jiǎn)支梁上的有限元模型，并引入效應(yīng)比增量概念，分析得出彎矩效應(yīng)比和剪力效應(yīng)比是不連續(xù)的結(jié)果.梁鵬[5]采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法比較了新舊規(guī)范中簡(jiǎn)支梁的汽車荷載效應(yīng)，并提供了在26種汽車荷載作用下簡(jiǎn)支梁汽車效應(yīng)與公路—Ⅰ級(jí)效應(yīng)相對(duì)比值的圖形.由于我國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范在編寫時(shí)參考了一些國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，因此一些學(xué)者也作了國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的比較研究.阮懷圣[6]采用美國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中HL—93設(shè)計(jì)汽車荷載對(duì)實(shí)橋進(jìn)行荷載效應(yīng)分析，并與我國(guó)新規(guī)范作對(duì)比，得出了影響荷載效應(yīng)的因素.吳騰[7]比較了我國(guó)與歐美等國(guó)現(xiàn)行橋梁規(guī)范中的汽車荷載，認(rèn)為我國(guó)規(guī)范中的汽車荷載引起的橋梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)，在所比較的國(guó)家中處于中等水平.

目前對(duì)新舊規(guī)范中關(guān)于汽車荷載作用下引起不同跨徑的荷載效應(yīng)比較研究較多，但對(duì)于新舊規(guī)范中由于主梁跨徑和橫隔梁數(shù)的變化，而引起的在不同汽車荷載作用下簡(jiǎn)支T梁內(nèi)力影響的比較研究較少.本文結(jié)合邵旭東《橋梁工程》[8-9]兩個(gè)版本中的主梁和橫隔梁內(nèi)力的典型算例，選取不同參數(shù)(跨徑、橫隔梁數(shù))進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論，為橋梁設(shè)計(jì)人員提供參考.

1 汽車荷載及計(jì)算系數(shù)

1.1 汽車荷載形式

在汽車荷載形式上，新舊規(guī)范有很大的區(qū)別.舊規(guī)范規(guī)定用一列汽車車隊(duì)表示汽車荷載，分為四個(gè)等級(jí):汽車-10級(jí)、汽車-15級(jí)、汽車-20級(jí)和汽車超-20級(jí).對(duì)于一級(jí)公路，采用汽車-超20級(jí)、掛車-120；車隊(duì)排列，對(duì)于二級(jí)公路采用汽車-20級(jí)、掛車-100車隊(duì)排列.計(jì)算時(shí)選用汽車荷載，而掛車荷載用來(lái)驗(yàn)算是否符合設(shè)計(jì)要求.本文選取二級(jí)公路作為計(jì)算對(duì)象，選用汽車-20級(jí)為汽車荷載.車隊(duì)的縱向排列和橫向布置如圖1和圖2所示.

新規(guī)范規(guī)定汽車荷載分為公路—Ⅰ級(jí)和公路—Ⅱ級(jí)兩個(gè)等級(jí)，由車道荷載和車輛荷載組成.車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，用于橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算；橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載采用車輛荷載.公路—Ⅰ級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.5 kN/m.公路—Ⅰ級(jí)的集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk按計(jì)算跨徑選取，計(jì)算跨徑小于或等于5 m時(shí)，Pk=180 kN；計(jì)算跨徑大于或等于50 m時(shí)，Pk=360 kN；介于5 m和50 m之間時(shí)Pk值采用直線內(nèi)插法求得.在計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，Pk應(yīng)乘以1.2倍的放大系數(shù).公路—Ⅱ級(jí)的車道荷載，其均布荷載和集中荷載取公路—Ⅰ級(jí)車道荷載的0.75倍.為了和舊規(guī)范進(jìn)行有效地比較，擬用公路—Ⅱ級(jí)進(jìn)行計(jì)算.車道荷載的計(jì)算圖如圖3所示.

圖1 汽車-20級(jí)縱向排列

1.2 沖擊系數(shù)計(jì)算

汽車以一定的速度通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生沖擊作用.舊規(guī)范中沖擊系數(shù)μ僅與橋的跨徑L有關(guān)，當(dāng)L≤5 m時(shí)，μ=0.03；L≥45 m時(shí)，μ=0.新規(guī)范中沖擊系數(shù)μ的計(jì)算比較復(fù)雜，與橋垮、剛度等因素有關(guān)，增加了計(jì)算的難度，但是更符合實(shí)際情況.新規(guī)范中沖擊系數(shù)按照如下方式取值或計(jì)算：當(dāng)f<1.5時(shí)，μ=0.05;當(dāng)1.5≤f≤14時(shí)，μ=0.1767lnf-0.0157;當(dāng)f>14時(shí)，μ=0.45.其中f為結(jié)構(gòu)基頻，Hz.

車道數(shù)越多對(duì)于滿車行駛的概率越小.為了在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)時(shí)避免浪費(fèi)，隨著橋梁車道數(shù)的增加，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行折減，即乘以橫向折減系數(shù).新舊規(guī)范的橫向折減系數(shù)相差不大，如表2所示.由表2可知，車道數(shù)大于2時(shí)，新規(guī)范的橫向折減系數(shù)略小于舊規(guī)范.

表2 橫向折減系數(shù)比較

橫向設(shè)計(jì)車道數(shù)1234舊規(guī)范-100080070新規(guī)范-100078067

表3 主梁、橫隔梁及跨徑布置 m

跨徑主梁間距橫隔梁間距161649201649251649301649351649401649

2 算例

邵旭東[8-9]編制的《橋梁工程》第2版和第3版中的列舉算例，主要按照新舊兩種規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，具有可比性.在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，一般只需要計(jì)算危險(xiǎn)截面所在位置的內(nèi)力，其他部分參照此截面進(jìn)行設(shè)計(jì).在具體橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，跨中彎矩和支點(diǎn)剪力一般最大，算例主要計(jì)算跨中彎矩和支點(diǎn)剪力.算例的跨徑選擇16 m至40 m，主梁間距依據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)橋梁取值，橫隔梁間距在4.85 m～5.20 m之間變化.表3給出了主梁、橫隔梁和跨徑的具體數(shù)據(jù).

選取簡(jiǎn)支T梁橋?yàn)橛?jì)算對(duì)象，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》確定車道數(shù)為2，主梁采用5片梁式結(jié)構(gòu)，主梁間距為1.6 m，橫隔梁數(shù)目由4片增加到9片，間距不變.為了能更直觀地了解橫隔梁和主梁的布置情況，圖4給出了跨徑16 m橫隔梁縱斷面，圖5給出了跨徑16 m主梁橫斷面.

圖4 16 m跨橫隔梁縱斷面圖

圖5 主梁橫斷面

3 參數(shù)研究

本文算例是根據(jù)新舊規(guī)范相應(yīng)條款進(jìn)行的主梁和橫隔梁的內(nèi)力計(jì)算，其結(jié)果詳見(jiàn)圖6至圖9.

由圖6和圖7可見(jiàn)，隨著跨徑的增加，主梁的彎矩和剪力都逐漸增大，新規(guī)范計(jì)算的主梁彎矩增幅比舊規(guī)范大，而主梁剪力增減的幅度比較一致，表明在主梁間距不變的情況下，主梁的剪力隨著跨徑增大而均勻地增大.通過(guò)新舊規(guī)范主梁內(nèi)力的對(duì)比可知，按新規(guī)范設(shè)計(jì)的主梁彎矩比舊規(guī)范高11%～15%，剪力高8%～18%，這是因?yàn)樾乱?guī)范在計(jì)算剪力和彎矩時(shí)考慮的影響因素更多.由圖6可知，新舊規(guī)范主梁彎矩差距有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，在25 m跨徑時(shí)彎距差距增加速度加快.從圖7可以看出，新舊規(guī)范的主梁剪力差距呈現(xiàn)先減小后增大最后再減小的趨勢(shì).

橋梁結(jié)構(gòu)中一般采用設(shè)置橫隔梁來(lái)提高主梁的橫向剛度，橫隔梁的數(shù)目決定了荷載的橫向分布系數(shù)，對(duì)于布有多片橫隔梁的橋梁結(jié)構(gòu)，位于跨中的橫隔梁承受荷載最大，通常只計(jì)算跨中的橫隔梁的內(nèi)力，其他橫隔梁可以參照跨中橫隔梁的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì).

由圖8和圖9可見(jiàn)，新規(guī)范中橫隔梁的內(nèi)力是隨著跨徑的增大而增大的.在舊規(guī)范中，當(dāng)跨徑大于25 m時(shí)，隨著跨徑的增大，橫隔梁的彎矩變化不明顯；而當(dāng)跨徑小于25 m時(shí)，隨著跨徑的增大彎矩會(huì)有減小的趨勢(shì)；當(dāng)跨徑大于20 m時(shí)，隨著跨徑的增大，橫隔梁的剪力變化不明顯，而當(dāng)跨徑小于20 m時(shí)，隨著跨徑的增大內(nèi)力會(huì)有減小的趨勢(shì).由圖8可知，跨徑小于38 m時(shí)舊規(guī)范橫隔梁彎矩大于新規(guī)范.從圖9可以看出，按新規(guī)范計(jì)算的剪力比舊規(guī)范高16%～41%，新舊規(guī)范橫隔梁剪力差距有增大的趨勢(shì).出現(xiàn)上述情形是由于舊規(guī)范中按車輛荷載形式，橫隔梁間距變化不明顯情況下，對(duì)內(nèi)力的傳遞分散比較均勻.

4 結(jié)語(yǔ)

為研究新舊規(guī)范中不同的汽車荷載形式對(duì)實(shí)際橋涵工程設(shè)計(jì)的影響，本文通過(guò)實(shí)際算例，采用兩種不同汽車荷載形式進(jìn)行驗(yàn)算，得出如下結(jié)論：

1)在相同主梁間距和橫隔梁間距的情況下，跨徑的變化對(duì)新舊規(guī)范主梁剪力的影響不明顯；但在新規(guī)范中，跨徑變化對(duì)主梁彎矩的影響大于舊規(guī)范.

2)在簡(jiǎn)支T梁橋設(shè)計(jì)中，比較新舊規(guī)范內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果可知，按新規(guī)范設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)支橋更偏于安全.

[1]關(guān)于批準(zhǔn)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)強(qiáng)制性條文的函[J].工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化,2004(3):1-10.

[2]JTG D60—2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社,2004.

[3]吳騰,葛耀君,熊潔,等.我國(guó)公路橋梁汽車荷載演變與比較[J].上海公路,2007(1):37-41+5.

[4]黃進(jìn)軍.公路橋梁規(guī)范汽車荷載效應(yīng)比較研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué),2008.

[5]梁鵬,龍濤,秦建國(guó),等.我國(guó)橋梁汽車荷載演變及其效應(yīng)分析[J].公路,2011(11):86-94.

[6]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)汽車荷載的研究[J].世界橋梁,2012,40(1):65-69.

[7]吳騰,葛耀君,熊潔.現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外公路橋梁汽車荷載及其響應(yīng)的比較[J].結(jié)構(gòu)工程師,2008,24(5):130-136.

[8]邵旭東.橋梁工程[M].2版.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2000：54-67.

[9]邵旭東.橋梁工程[M].3版.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2012：55-68.

(責(zé)任編輯 鄧 穎)

Comparison of Vehicle Load and Lane Load in Design of Bridges

He Yuliang Wu Xudong Zhou Zhaoxin

(School of Civil Engineering,Shaoxing University,Shaoxing,Zhejiang 312000)

In the design of highway bridges and culverts,the car load is divided into two forms,i.e.the vehicle load and the lane load.The old specification General Specification for Design of Highway Bridges and Culverts (JTJ 021—89) applied the vehicle load in the design of bridges and culverts,whereas the new specification General Specification for Design of Highway Bridges and Culverts (JTG D60—2004) applies the lane load in the design of bridges and culverts.In order to study the effects of different vehicle load forms on the actual bridge engineering design in the old and new codes,this paper uses a practical example to calculate the two different types of vehicle load,finding that they have certain influence on the internal force of the actual bridge calculation.Simultaneously,the paper studies the influence of different parameters of two kinds of vehicle load on the actual bridge internal force calculation.The calculation result shows that the lane load is safer than vehicle load in the bridge design.

bridge engineering;vehicle load;lane load;diaphragm beam;main girder

2016-05-27 ”作者簡(jiǎn)介：何余良(1977- )，男，江西鄱陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士，研究方向：組合橋梁.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.09.02

U442.5

A

1008-293X(2016)09-0008-05