中美印橋梁設(shè)計規(guī)范汽車荷載比較

白午龍

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進，設(shè)計咨詢行業(yè)也隨之拓展到更多地區(qū)。不同區(qū)域內(nèi)橋梁所承載的汽車類型不盡相同，各地區(qū)使用的橋梁設(shè)計規(guī)范中對汽車荷載的規(guī)定也有所區(qū)別。本文以印尼雅加達收費公路項目為背景，研究印尼橋梁設(shè)計規(guī)范中涉及汽車荷載的相關(guān)內(nèi)容?？紤]到印尼地區(qū)經(jīng)常借鑒美國規(guī)范，本文著重介紹并對比中國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015[1]，以下簡稱中國規(guī)范）、美國AASHTO LRFD Bridge Design Specifications（5th Edition 2012，以下簡稱美國規(guī)范）和印尼Bridge Loading Standard（SNI T-02-2005[2]，以下簡稱印尼規(guī)范）中的汽車荷載各項規(guī)定，包括名義車道劃分、車道荷載、車輛荷載、沖擊系數(shù)、折減系數(shù)、布載方式等方面，并結(jié)合工程實例說明三國設(shè)計規(guī)范中汽車荷載的差異。

1 名義車道的劃分

中美印三國汽車工業(yè)發(fā)展、道路交通安全要求等水平各不相同，因此三國規(guī)范中對名義車道的規(guī)定也有差異。但在不同的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，設(shè)計車道數(shù)的取值都同橋梁寬度密切相關(guān)。針對不同的橋梁寬度，各國規(guī)范對名義車道的劃分見表1。

表1 中美印三國名義車道比較 m

由表1可知，同等橋梁寬度下，中國規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較少，印尼規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較多，美國規(guī)范居中。例如當橋梁寬度W為20 m，車輛雙向行駛時，中國規(guī)范定義車道數(shù)為4，美國規(guī)范為5，印尼規(guī)范為6。

2 車道荷載與車輛荷載

2.1 中國規(guī)范相關(guān)條文

公路橋涵設(shè)計時，汽車荷載分為公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級兩個等級，由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計算采用車道荷載；橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載。車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。

車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，計算圖示如圖1所示。公路-Ⅰ級車道荷載均布荷載標準值為qk=10.5 kN/m，集中荷載標準值Pk取值見表2。公路-Ⅱ級車道荷載的均布荷載標準值qk和集中荷載標準值Pk按公路-Ⅱ級車道荷載的0.75倍采用。

圖1 中國規(guī)范車道荷載

表2 集中荷載Pk取值

車輛荷載的立面、平面尺寸如圖2、圖3所示。公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級汽車荷載采用相同的車輛荷載標準值。

圖2 中國規(guī)范車輛荷載立面尺寸

圖3 中國規(guī)范車輛荷載平面尺寸

2.2 美國規(guī)范相關(guān)條文

美國規(guī)范中的汽車荷載分類與中國規(guī)范相似，分為設(shè)計車道荷載、設(shè)計車輛荷載兩種方式。不同之處在于美國規(guī)范沒有根據(jù)公路等級將汽車荷載分級，其設(shè)計車輛荷載又分為卡車荷載和雙軸荷載兩種形式，設(shè)計車輛荷載和設(shè)計車道荷載要根據(jù)情況進行疊加，以得到最大的荷載效應(yīng)。

美國規(guī)范中，車道荷載為均布荷載，標準值為9.3 N/mm，在橫向均勻分布在3 m寬的范圍內(nèi)，如圖4所示。車道荷載不考慮沖擊系數(shù)。設(shè)計卡車荷載有三個軸，前軸軸重35 kN，后兩個軸軸重均為145 kN，如圖5所示。軸距為4.3 m和4.3～9 m，后兩軸軸距應(yīng)該根據(jù)計算情況取最不利的軸距。雙軸荷載則由兩個集中荷載組成，大小為110 kN，間距為1.2 m，如圖6所示。在設(shè)計時，應(yīng)該取均布荷載+卡車荷載，以及均布荷載+雙軸荷載這兩種組合形式中的最大值作為設(shè)計活載。

圖4 美國規(guī)范均布荷載

圖5 美國規(guī)范設(shè)計卡車特征

圖6 美國規(guī)范設(shè)計雙軸縱向布置

2.3 印尼規(guī)范相關(guān)條文

印尼規(guī)范中的汽車荷載包括“D”車道荷載和“T”車輛荷載。其中，“D”車道荷載包括面荷載（UDL）和線荷載（KEL），如圖7所示。根據(jù)印尼規(guī)范，線荷載（KEL）為 49 kN/m，面荷載（UDL）的 q值（kPa）與跨徑L有關(guān)，如下式所示：

圖7 印尼規(guī)范車道荷載示意圖

UDL荷載集度如圖8所示。

圖8 UDL荷載集度

“T”車輛荷載中的車輛重量分布如圖9所示，兩車軸間距在4～9 m變化以產(chǎn)生最大的荷載效應(yīng)。車輛荷載要考慮沖擊系數(shù)。橋梁全長范圍內(nèi)只能施加一輛“T”車輛荷載作為設(shè)計汽車荷載。

圖9 印尼規(guī)范“T”車輛荷載

3 汽車荷載折減

在公路橋梁活載效應(yīng)計算過程中，通常將空間結(jié)構(gòu)分析轉(zhuǎn)化為平面桿系結(jié)構(gòu)以達到簡化計算的目的，對結(jié)構(gòu)上所計算截面的某項荷載效應(yīng)的影響線按最不利位置進行加載[3]。中國規(guī)范、美國規(guī)范均通過多車道橫向折減系數(shù)來考慮多個加載車道同時處于最不利荷載狀況的可能性，見表3。而印尼規(guī)范對于橫向多車道折減問題則采用了給定布載方式的形式。

表3 中美規(guī)范橫向折減系數(shù)比較

印尼規(guī)范中車道5.5 m范圍內(nèi)橫向不折減，對寬度大于5.5 m的橋面，每車道2.75 m范圍內(nèi)不折減，其余范圍內(nèi)為50%（見圖10），其中n1為車道數(shù)。

圖10 印尼規(guī)范“D”車道荷載的橫向分布

此外，中國規(guī)范規(guī)定了縱向折減。大跨徑橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮縱向折減。當橋梁計算跨徑大于150 m時，應(yīng)按表4規(guī)定的縱向折減系數(shù)進行折減。當為多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)時，整個結(jié)構(gòu)應(yīng)按最大的計算跨徑考慮汽車荷載效應(yīng)的縱向折減。美國規(guī)范和印尼規(guī)范對汽車荷載沒有縱向折減的規(guī)定。

表4 中國規(guī)范縱向折減系數(shù)

4 沖擊系數(shù)

汽車的沖擊系數(shù)是汽車過橋時對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動力增大系數(shù)。沖擊作用有車體的振動和橋跨結(jié)構(gòu)自身的變形和振動。研究表明，影響車輛動力效應(yīng)的因素主要包括橋面的粗糙度、車輛的動力特性、橋梁的動力特性、車輛運行速度及車輛數(shù)量等。然而由于影響動力效應(yīng)的因素的測定及分析模型的不確定性，各國對于沖擊系數(shù)的考慮差異較大，見表5。

表5 動力荷載允許值

圖11 印尼規(guī)范動荷載增計系數(shù)

美國規(guī)范把構(gòu)件類別及計算狀態(tài)作為確定沖擊效應(yīng)主要考慮因素；接縫是橋梁的薄弱部位，在荷載的反復(fù)作用下失效的概率較大，且傳力效果下降較快，美國規(guī)范在接縫處動力效應(yīng)取值較大，有利于接縫安全，保證結(jié)構(gòu)的整體性，這是合理的地方。在驗算疲勞時考慮的是荷載的長期作用，采用較小值較為合理。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學原理，汽車的動力效應(yīng)與橋梁的自振特性直接相關(guān)，自重大，整體性好，沖擊就小。中國規(guī)范把結(jié)構(gòu)基頻和橋梁結(jié)構(gòu)形式作為考慮因素，并在條文說明中給出了各種橋型基頻計算的解析公式。印尼規(guī)范根據(jù)橋梁跨徑確定沖擊系數(shù)，跨徑越大，結(jié)構(gòu)剛度越小，沖擊效應(yīng)越小。

綜上所述，美國規(guī)范的沖擊系數(shù)依據(jù)的是大量現(xiàn)場試驗得出的數(shù)據(jù)，經(jīng)受了實踐考驗；中國規(guī)范由結(jié)構(gòu)動力學原理加經(jīng)驗修正得到?jīng)_擊系數(shù)，理論性更強；印尼規(guī)范根據(jù)跨徑確定沖擊系數(shù)，較為粗糙。

美國規(guī)范中的沖擊系數(shù)只施加于貨車和雙軸車輛荷載，不施加于車道荷載和人群荷載。中國規(guī)范中的沖擊系數(shù)只施加于車輛荷載，不施加于車道荷載。印尼規(guī)范中的沖擊系數(shù)施加于車道荷載及車輛荷載。

5 算例

以印尼雅加達收費公路項目為背景，該工程橋梁標準斷面布置如下：0.5 m（防撞欄桿）+12.25 m（車行道）+0.8 m（中央防撞欄桿）+12.25 m（車行道）+0.5 m（防撞欄桿）=26.3 m。小箱梁采用上海市小箱梁，底寬1.5 m，35 m梁高1.9 m，由于小箱梁梁寬較寬，橫橋向布置6片小箱梁即可滿足受力要求。35 m跨徑扣除“倒T”蓋梁及伸縮縫，實際梁長32.6 m，計算跨徑為31.6 m。小箱梁采用變截面設(shè)計，頂板厚 20 cm，腹板厚 19～35 cm，底板厚20～30 cm。小箱梁橫斷面布置如圖12所示。采用midas Civil 2015建立小箱梁梁格模型，如圖13所示。

圖12 小箱梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖13 小箱梁梁格模型

由于此算例采用簡支結(jié)構(gòu)，跨中彎矩及位移值最為不利。三國汽車荷載作用下小箱梁跨中彎矩及位移值見表6。

表6 汽車荷載作用下小箱梁跨中彎矩及位移值

由表6可以發(fā)現(xiàn)，汽車荷載作用下，根據(jù)美國規(guī)范算出的跨中彎矩及位移值最小，印尼規(guī)范最大，中國規(guī)范居中。這是因為根據(jù)印尼規(guī)范得出的汽車荷載值較大，且車道數(shù)較多。美國規(guī)范中，車道荷載里的均布荷載以及車輛荷載均較中國規(guī)范小，且車道荷載中沒有集中荷載。

6 結(jié)語

（1）同等橋梁寬度下，中國規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較少，印尼規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較多，美國規(guī)范居中。

（2）相對于中國規(guī)范，美國規(guī)范沒有根據(jù)公路等級將汽車荷載分級，其設(shè)計車輛荷載又分為卡車荷載和雙軸荷載兩種形式，設(shè)計車輛荷載和設(shè)計車道荷載要根據(jù)情況進行疊加，以得到最大的荷載效應(yīng)。

（3）中國規(guī)范、美國規(guī)范均通過多車道橫向折減系數(shù)來考慮多個加載車道同時處于最不利荷載狀況的可能性，而印尼規(guī)范對于橫向多車道折減問題則采用了給定布載方式的形式。

（4）美國規(guī)范的沖擊系數(shù)依據(jù)的是大量現(xiàn)場試驗得出的數(shù)據(jù)，經(jīng)受了實踐考驗；中國規(guī)范由結(jié)構(gòu)動力學原理加經(jīng)驗修正得到?jīng)_擊系數(shù)，理論性更強；印尼規(guī)范根據(jù)跨徑確定沖擊系數(shù)，較為粗糙。

（5）汽車荷載作用下，根據(jù)美國規(guī)范算出的跨中彎矩及位移值最小，印尼規(guī)范最大，中國規(guī)范居中。