公路橋梁中歐規(guī)范主要荷載差異分析★

劉天培

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

歐洲規(guī)范(Eurocode)是目前土木領域最具影響力的國際標準，是海外項目設計的重要參考。對比中國規(guī)范和歐洲規(guī)范之間的差異可幫助設計人員更好的參與海外項目中去。近年來，國內(nèi)研究人員引入歐洲規(guī)范，將中歐規(guī)范的荷載及荷載組合進行對比分析，分別分析各荷載的差異，但僅停留在為數(shù)不多的具體的橋跨上，為從整體上對荷載大小及荷載組合進行分析，本文就中、歐規(guī)范中常見的汽車荷載、制動力、離心力、人群荷載、溫度荷載及土壓力計算方法進行對比，對不同跨徑下各荷載進行量化分析，以便廣大橋梁設計者對中歐規(guī)范各荷載有更宏觀的認識。

1 汽車荷載

汽車荷載是橋梁的主要可變作用，進行整體分析時中國規(guī)范采用由單軸集中力和線均布荷載組合的車道荷載，歐洲規(guī)范采用由雙軸集中力和面均布荷載(名義車道寬3 m)組合的LM1荷載，車道荷載與LM1荷載在橋面的布置如圖1，圖2所示[1-3]。車道荷載公路-Ⅰ級線均布荷載的大小為10.5 kN/m，集中力大小與橋梁跨徑有關[4]。LM1荷載雙軸集中力大小和面均布荷載的大小與所在的車道有關。面均布荷載除車道一為9 kPa外，其余車道均為2.5 kPa。中國規(guī)范與歐洲規(guī)范集中力的大小如圖3所示。中國規(guī)范對于低等級公路采用公路-Ⅱ級荷載，其大小為公路-Ⅰ級荷載的0.75倍，這里對公路-Ⅱ級荷載不再單獨列出。

由荷載在橋面的布置圖可知，中歐規(guī)范汽車荷載的種類形式基本相同。中國規(guī)范均布荷載采用每延米荷載大小，與名義車道寬度無關，而歐洲規(guī)范的均布荷載大小采用每平米荷載的大小，與名義車道的寬度有關，故歐洲規(guī)范規(guī)定名義車道寬度為3 m[5-7]。

歐洲規(guī)范在每個車道內(nèi)的荷載大小不完全相同，每個特定車道有固定值，但不隨跨徑的改變而改變；中國規(guī)范集中荷載在跨徑5 m～50 m之間采用線性插值，考慮到橫向車道數(shù)和縱向跨徑影響，實際橋面集中荷載和均布荷載會有一定折減。荷載效應均采用影響線加載，兩種汽車荷載之間的差異可以用加載范圍內(nèi)集中荷載總重比值和均布荷載總重比值來比較，為方便計算，本文αQ1,αqi均取1，集中荷載比值和均布荷載比值如圖4,圖5所示?？梢钥闯觯簹W洲規(guī)范的集中荷載和均布荷載均明顯大于中國規(guī)范，在0 m～50 m范圍內(nèi)，歐洲規(guī)范與中國規(guī)范一車道至四車道集中荷載比值呈急速下降趨勢，跨徑超過50 m后比值呈階梯式上升，但上升幅度不大；三車道時中、歐集中荷載的差值最大，因歐洲規(guī)范規(guī)定同向僅添加三個車道的集中荷載，中國規(guī)范每個車道都需要添加，故四車道時差值減小，比值在1.232～1.899之間。各車道下均布荷載比值在加載長度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)階梯式上升，其中一車道時比值最大，二車道時比值最小，因歐洲規(guī)范所有車道均添加均布荷載，所以三車道和四車道均布荷載比值均出現(xiàn)回升，比值在1.437 5～2.393 6之間。

2 制動力

制動力即橋面車輛緊急剎車時對主梁產(chǎn)生的力，歐洲規(guī)范制動力和加速度力都稱作縱向水平力，其大小相等，方向相反。中國規(guī)范單車道時,公路-Ⅰ 級荷載制動力大小為FB1=Max[0.1(ql+Pk),165]；同向雙車道的總制動力為FB2=2FB1，同向三車道的總制動力為FB3=2.34FB1；同向四車道的總制動力為FB4=2.68FB1。

當橋梁跨徑不小于1.2 m時，歐洲規(guī)范縱橋向制動力Q=Max[0.6αQ1(2Q1k)+0.1αq1q1kw1L,900]，當跨徑小于1.2 m時，縱橋向僅能布置一個軸載，取制動力Q=180 kN。特殊情況下需要考慮制動力橫橋向分量，其大小為F=0.25Q。

將中國規(guī)范與歐洲規(guī)范一車道至四車道總制動力進行匯總，結果如圖6所示?？梢钥闯觯褐袊?guī)范在橋梁跨徑小于122.857 m之前，各車道數(shù)下制動力大小不變，跨徑超過122.857 m之后，制動力線性增大；歐洲規(guī)范橋梁跨徑在1.2 m～200 m之間時，制動力呈線性增大，超過200 m后各車道下制動力大小均不變，與中國規(guī)范相反。中國規(guī)范一車道、二車道、三車道、四車道分別在橋梁跨徑小于822.86 m,822.86 m,1 064.62 m和1 245.03 m時制動力小于歐洲規(guī)范，說明在分界點前歐洲規(guī)范偏安全的考慮制動力大小，而在分界點后中國規(guī)范考慮的制動力數(shù)值更大。由于中國規(guī)范考慮制動力橫向多車道折減，故除二車道外各車道分界點數(shù)據(jù)后移。

3 離心力

離心力是車輛在彎道行駛時作用在橋梁上垂直于圓曲線切線的水平力，與車輛的行駛速度和彎道半徑有關，中國規(guī)范規(guī)定離心力的大小為：

Fc=C×F

(1)

其中，C為離心力系數(shù)，C=v2/127R,v為行駛速度,R為彎道半徑；F為車輛荷載標準值。計算多車道時需要考慮橫向布載系數(shù)。

歐洲規(guī)范荷載大小表達式為：

(2)

其中，Qv為豎向荷載LM1的集中力總和∑αQi(2Qik)。

將中國規(guī)范和歐洲規(guī)范一車道至四車道在70 km/h的時速下彎道半徑為200 m～1 500 m的離心力大小進行計算，見圖7。結果表明一車道至四車道歐洲規(guī)范的離心力均小于中國規(guī)范離心力，離心力差值大小隨著跨徑增加而減小，但差值不大，中國規(guī)范更安全的考慮離心力的大小。由于歐洲規(guī)范雙軸集中力僅可添加三車道，故三車道與四車道離心力大小相同。

4 人群荷載

中國規(guī)范公路橋梁人群荷載大小與跨徑有關，標準值如式(3)所示(單位：kN/m2)，對非機動車或行人密集的橋梁，人群荷載取標準值的1.15倍；歐洲規(guī)范公路橋梁人群荷載的標準值為5 kN/m2，與跨徑無關。歐洲規(guī)范考慮人群荷載效應較中國規(guī)范大。

(3)

5 土壓力

橋臺土壓力為靜止土壓力加車輛荷載引起的土壓力。

5.1 靜止土壓力

中國規(guī)范和歐洲規(guī)范的靜止土壓力計算公式如下：

(4)

5.2 汽車荷載引起的土壓力

中國規(guī)范與歐洲規(guī)范在汽車荷載引起的土壓力計算方法不同，中國規(guī)范采用等代土層厚度法，歐洲規(guī)范采用附加應力法，具體計算過程如下：

中國規(guī)范：

(5)

(6)

(7)

(8)

其中，B為橋臺的計算寬度或擋土墻的計算長度；H為計算土層高度；φ為土的內(nèi)摩擦角；β為填土表面與水平面的夾角；γ為土的重度；α為臺背與豎直面夾角；δ為臺背或墻背與填土間的摩擦角，可取δ=φ/2;ω=α+δ+φ。

在l0長度內(nèi)按最不利情況布置車輛荷載，由于車輛荷載后軸最重，所以選后軸加載，具體選幾個軸根據(jù)計算所得的l0長度確定，以三車道為例，車輛在橋臺前布置如圖8所示。橋臺土壓力如圖9所示。

歐洲規(guī)范:

附加土壓力理論計算公式：

(9)

其中，σx為均布條形荷載作用下的側向附加應力系數(shù)，可由上式直接計算，見表1；b為條形荷載寬度(縱向長)；q為均布條形荷載；x為荷載中心線距橋臺臺背的距離；z為橋臺任意位置高；m=z/b;n=x/b[8]。

表1 均布條形荷載作用下的側向附加應力系數(shù)

LM1荷載雙軸集中力等效為分布在3 m(橫向)×2.2 m(縱向)范圍內(nèi)的均布力，在計算時應扣除汽車荷載的動力效應，實際雙軸等效力應乘以0.7倍的系數(shù)。以三車道為例，等效均布力見圖10。側向附加力計算時，一般為了簡化計算，也可采用斜直線添加附加力，見圖11。

對比中、歐規(guī)范汽車荷載引起的土壓力，可知中國規(guī)范采用等代土層厚度計算的土壓力結果更大，更加保守，歐洲規(guī)范的計算方法更小，更接近實際。

6 溫度荷載

中歐規(guī)范整體升溫和整體降溫的值大小為有效溫度標準值減去初始溫度(Te-T0)，但有效溫度標準值的計算規(guī)定各有區(qū)別。將中、歐規(guī)范梁溫度特性分類，見表2。中國規(guī)范和英國規(guī)范的橋梁溫度標準值分別見表3,表4。

表2 梁溫度特性分類

表3 中國規(guī)范公路橋梁溫度標準值

表4 歐洲規(guī)范公路橋梁溫度標準值

對比中、歐規(guī)范整體升溫和整體降溫計算異同可知：中國規(guī)范和歐洲規(guī)范的溫度標準值大小與主梁類型、氣候劃區(qū)或氣溫有關。不同的是歐洲規(guī)范按主梁高度處的空氣溫度確定主梁溫度標準值，中國規(guī)范按氣候劃區(qū)確定。

7 荷載組合

7.1 承載能力極限狀態(tài)

中國規(guī)范承載能力極限狀態(tài)的基本組合為：永久作用設計值“+”汽車作用設計值“+”其他可變作用組合值；歐洲規(guī)范為：永久作用設計值“+”預應力作用設計值“+”主導可變作用組合值“+”其他可變作用組合值。中國規(guī)范中永久作用已包含預應力作用，歐洲規(guī)范主導可變作用可認為是汽車作用。承載能力極限狀態(tài)基本組合時中國規(guī)范會對除汽車荷載外的可變作用乘以組合值系數(shù)；歐洲規(guī)范在組合時對所有可變作用乘以組合值系數(shù)[9]。

中國規(guī)范和歐洲規(guī)范會根據(jù)結構重要性乘以重要性系數(shù)，劃分為3類，分別為1.1,1.0,0.9，在荷載組合時根據(jù)重要性不同乘以不同的系數(shù)。歐洲規(guī)范荷載組合表達式中并無結構重要性系數(shù)，其是根據(jù)可靠度等級RC2，即重要性系數(shù)為1定義的公式，不同的可靠度等級再給荷載組合值乘以不同的系數(shù)即可。

中國規(guī)范承載能力極限狀態(tài)的偶然組合為：永久作用標準值“+”偶然作用設計值“+”汽車作用頻遇值“+”其他可變作用準永久值；歐洲規(guī)范為：永久作用標準值“+”預應力作用代表值“+”偶然作用設計值“+”主導可變作用準永久值或頻遇值“+”其他可變作用準永久值。中國規(guī)范的偶然作用組合等于歐洲規(guī)范偶然組合和地震組合(見表5)。

表5 中、歐規(guī)范承載能力極限狀態(tài)組合

7.2 正常使用極限狀態(tài)

中國規(guī)范正常使用極限狀態(tài)頻遇組合為：永久作用標準值“+”汽車荷載頻遇值“+”其他可變作用準永久值相組合。歐洲規(guī)范為：永久作用標準值“+”預應力作用代表值“+”主導可變作用頻遇值“+”其他可變作用準永久值。中國規(guī)范正常使用極限狀態(tài)準永久組合為：永久作用標準值“+”可變作用準永久值；歐洲規(guī)范為：永久作用標準值+預應力作用代表值+可變作用準永久值；兩者在形式上并無區(qū)別。歐洲規(guī)范正常使用極限狀態(tài)標準組合為：永久作用標準值“+”預應力作用代表值“+”主導可變作用標準值+其他可變作用的組合值,中國規(guī)范并無此標準組合(見表6)。

表6 中、歐規(guī)范正常使用極限狀態(tài)組合

歐洲規(guī)范規(guī)定溫度荷載和風荷載不同時組合，中國規(guī)范溫度荷載和風荷載可以同時組合。

8 結語

本文對公路橋梁中歐規(guī)范主要荷載的大小規(guī)定及計算差異，包括汽車荷載、制動力、離心力、人群荷載、土壓力和溫度荷載，并比較了荷載組合差異。結論如下：

1)歐洲規(guī)范均布荷載大小按每平方米規(guī)定，名義車道寬度為3 m；歐洲規(guī)范集中力荷載和均布荷載明顯高于中國規(guī)范，一車道至四車道按規(guī)范布置集中力和均布荷載時，總集中荷載的比值在1.232～1.899之間，總均布荷載比值在1.437 5～2.393 6之間。

2)中國規(guī)范規(guī)定了制動力最小值，歐洲規(guī)范規(guī)定了制動力最大值。中國規(guī)范一車道、二車道、三車道、四車道分別在橋梁跨徑小于822.86 m，822.86 m，1 064.62 m和1 245.03 m時制動力小于歐洲規(guī)范，而在分界點后大于歐洲規(guī)范。

3)一車道至四車道歐洲規(guī)范的離心力均小于中國規(guī)范離心力，離心力差值大小隨著跨徑增加而減小，但差值不大。歐洲規(guī)范人群荷載效應較中國規(guī)范大。

4)計算土壓力時中國規(guī)范采用等代土層厚度法，按等重的土層厚度代替汽車荷載；歐洲規(guī)范采用附加應力法，用附加應力系數(shù)計算豎向汽車荷載產(chǎn)生的側向土壓力，計算結果更符合實際。

5)歐洲規(guī)范正常使用極限狀態(tài)標準組合為：永久作用標準值“+”預應力作用代表值“+”主導可變作用標準值“+”其他可變作用的組合值，中國規(guī)范并無此標準組合。