橋梁設(shè)計(jì)荷載及其組合形式研究

趙龍江，劉 波

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430014）

0 引言

橋梁荷載可以分為兩種類型，分別為恒載和活載，其中恒載指的是橋梁自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載，活載則表示橋梁上車輛和人群等可變因素產(chǎn)生的荷載，人群荷載相對(duì)車輛產(chǎn)生的荷載較小。近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛荷載以及道路交通量快速提高，這一現(xiàn)象也對(duì)橋梁設(shè)計(jì)荷載提出了更高的要求，而根據(jù)橋梁實(shí)際情況，通過橋梁設(shè)計(jì)荷載組合的方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，能夠有效提高橋梁設(shè)計(jì)指標(biāo)，確保橋梁安全使用。

1 橋梁設(shè)計(jì)荷載組合必要性

1.1 提高橋梁安全性

安全是橋梁設(shè)計(jì)的重要前提，會(huì)直接影響橋梁交通運(yùn)行效果，因此需要確保橋梁設(shè)計(jì)的安全性。尤其是在橋梁設(shè)計(jì)荷載組合中，要充分考慮安全因素，全面分析橋梁中存在的安全問題。在對(duì)交通情況進(jìn)行全面了解之后，再實(shí)施橋梁設(shè)計(jì)荷載組合工作，根據(jù)荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行控制，這種方式能夠保證橋梁運(yùn)行的安全性，同時(shí)，降低安全事故出現(xiàn)的概率，為今后橋梁設(shè)計(jì)工作提供基礎(chǔ)條件。

1.2 增強(qiáng)橋梁耐久性

我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)近幾年得到了快速發(fā)展，橋梁建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，項(xiàng)目建設(shè)成本也越來越高。而在橋梁設(shè)計(jì)荷載階段，設(shè)計(jì)人員通過綜合分析的方式，研究橋梁的使用年限以及耐久性等，在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)要素進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)處理，這一措施能夠有效提高橋梁在實(shí)際使用中的耐久性。

1.3 提升橋梁適用性

橋梁施工項(xiàng)目建設(shè)需要達(dá)到相應(yīng)的性能使用標(biāo)準(zhǔn)，因此在橋梁設(shè)計(jì)中，要對(duì)適用性因素進(jìn)行全面分析。例如，在設(shè)計(jì)橋梁功能設(shè)計(jì)過程中，部分橋梁設(shè)計(jì)缺乏行人通道這一功能，這大大降低了橋梁的實(shí)際適用水平，導(dǎo)致功能欠缺。該種情況下實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)荷載組合，科學(xué)選擇組合形式，可以幫助橋梁設(shè)計(jì)達(dá)到相應(yīng)的功能標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到提高橋梁適用性的目的。

橋梁作為我國(guó)重要的交通工程樞紐，在交通建設(shè)發(fā)展中具有非常重要的作用，荷載因素會(huì)直接影響橋梁建設(shè)質(zhì)量，尤其是在當(dāng)前我國(guó)交通運(yùn)輸量快速增加的情況下，汽車超載現(xiàn)象出現(xiàn)的概率上升，嚴(yán)重影響了橋梁的建設(shè)使用安全。這就需要在橋梁設(shè)計(jì)中，根據(jù)新版規(guī)范中的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)荷載的科學(xué)組合。

2 橋梁設(shè)計(jì)荷載優(yōu)化策略

2.1 全面調(diào)查交通荷載

橋梁交通荷載實(shí)際上具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，可以通過公路車輛荷載調(diào)查的方式，掌握交通荷載車輛之間的間距、交通流量、交通車型等數(shù)據(jù)信息，建立真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)樣本信息。尤其是對(duì)于橋梁來說，大型重載車輛的通行數(shù)量較多時(shí)，就需要建立更加高效、簡(jiǎn)單、全面的交通荷載參數(shù)調(diào)查系統(tǒng)，進(jìn)一步提高樣本數(shù)據(jù)參數(shù)的完整性和真實(shí)性，為橋梁設(shè)計(jì)荷載工作提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 明確橋梁設(shè)計(jì)荷載分類

根據(jù)當(dāng)前我國(guó)相關(guān)規(guī)范能夠知道橋梁中具有永久作用、可變作用、偶然作用以及地震作用4 種類型的作用形式。永久作用指的是在橋梁設(shè)計(jì)以及施工中，運(yùn)用永久性荷載設(shè)計(jì)方式，其中包括結(jié)構(gòu)重力、混凝土收縮徐變、預(yù)加力、水浮力、基礎(chǔ)變位作用以及土側(cè)壓力等，以上產(chǎn)生的荷載作用都屬于永久性作用。而可變作用能夠根據(jù)環(huán)境變化而發(fā)生變化，其中包含汽車荷載、汽車沖擊力以及汽車離心力等，以上荷載具有較為明顯的可變性。偶然作用主要包括船舶的碰撞作用、漂流物的碰撞作用和汽車的碰撞作用，此類荷載具有很明顯的偶然性。地震作用則在橋梁位于地震區(qū)，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行考慮。在橋梁設(shè)計(jì)荷載優(yōu)化階段，永久荷載的取值難度較低，各個(gè)項(xiàng)目都具有對(duì)應(yīng)的數(shù)值信息，所以在橋梁設(shè)計(jì)荷載優(yōu)化中，將可變作用荷載作為主要研究?jī)?nèi)容[1]。

2.3 加強(qiáng)橋梁荷載效應(yīng)計(jì)算

橋梁在實(shí)際使用階段，由于可變荷載作用的影響，自身荷載作用會(huì)發(fā)生一定的變化，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力。因此橋梁設(shè)計(jì)往往將內(nèi)力最大值作為依據(jù)完成設(shè)計(jì)。影響線能夠準(zhǔn)確反映出內(nèi)力與移動(dòng)荷載變化之間的關(guān)系，利用有限元的方式計(jì)算影響線。在此過程中，最基礎(chǔ)的條件就是確定單位以及指向，完成變化圖的制作。除此之外，橋梁荷載效應(yīng)計(jì)算還需要確定橫向分布系數(shù)，橫向分布系數(shù)通過轉(zhuǎn)化的方式，將較為復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎲栴}，利用這種方式優(yōu)化計(jì)算過程，提高計(jì)算準(zhǔn)確性。這一計(jì)算結(jié)果能夠更為準(zhǔn)確地反映出荷載在橋梁橫向的分布情況。目前常用的計(jì)算橫向荷載分布系數(shù)的方法主要有杠桿法、剛性橫梁法、剛接板梁法和比擬正交異性板法等。

3 荷載組合形式

3.1 汽車荷載及沖擊力

我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中明確指出，荷載類型不同，其產(chǎn)生的作用也有所不同。而汽車荷載油分為車輛荷載與車道荷載，在計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)過程中，若主要進(jìn)行整體計(jì)算，則只考慮車道荷載進(jìn)行；若主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部計(jì)算，則只考慮車輛荷載。車輛荷載主要作用在橋梁的局部位置、橋臺(tái)、涵洞以及擋土墻結(jié)構(gòu)土壓計(jì)算中。以上兩種類型的荷載不能進(jìn)行疊加處理，由于橋梁在我國(guó)交通體系中的占比較大，因此需要選擇與道路等級(jí)相互適應(yīng)的汽車荷載等級(jí)。在計(jì)算車輛沖擊力的過程中，對(duì)于不同的橋梁結(jié)構(gòu)，選擇的沖擊系數(shù)也不同，沖擊系數(shù)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的自身基頻數(shù)據(jù)完成計(jì)算[2]。車道荷載計(jì)算如圖1 所示。

圖1 車道荷載計(jì)算

3.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載是橋梁設(shè)計(jì)中的重要影響因素，非常容易受到地理環(huán)境、地形地貌以及橋梁結(jié)構(gòu)形式的影響，因此針對(duì)受風(fēng)荷載影響較大的橋梁，其橋梁設(shè)計(jì)荷載組合中需要充分考慮到風(fēng)荷載因素。對(duì)其進(jìn)行全面分析計(jì)算，最大程度上降低風(fēng)荷載對(duì)橋梁實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)面影響。在實(shí)際計(jì)算過程中，根據(jù)我國(guó)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇相應(yīng)公式完成計(jì)算，確定風(fēng)速參數(shù)的最大值，最終判斷出風(fēng)荷載可能產(chǎn)生的影響。例如，在橋梁施工階段，充分考慮橫向風(fēng)以及縱向風(fēng)、豎向風(fēng)的組合，利用Vad=ηVd公式完成計(jì)算，其中Vad為不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速；η 為風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)；Vd為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，這種方式能夠進(jìn)一步提高橋梁運(yùn)行的安全性。

3.3 溫度荷載

對(duì)于橋梁來說，溫度荷載會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響，并且這一荷載影響因素?zé)o法消除，與橋梁所處環(huán)境具有非常緊密的聯(lián)系。在環(huán)境以及日照的共同影響下，產(chǎn)生了溫度荷載，尤其是在四季變化較為明顯的地區(qū)，季節(jié)性溫差較大，需要搜集等溫線數(shù)據(jù)，再根據(jù)橋梁的實(shí)際情況，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。通常情況下，對(duì)于季節(jié)性溫差的考慮，需要將橋梁項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)的海拔高程因素納入其中，高程每增加100m，最低溫度需要降低0.5℃，最高溫度降低1℃。日照溫差也會(huì)對(duì)橋梁各個(gè)梯度的溫度產(chǎn)生影響，橋梁的斷面形式不同，鋪裝類型也要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。根據(jù)當(dāng)前我國(guó)相關(guān)規(guī)范內(nèi)容能夠看出，在選擇橋面鋪裝方式的過程中，要對(duì)溫度變化因素給予全面分析，尤其是在晝夜溫差較大的地區(qū)，保證橋梁最終性能能夠達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，最大程度上降低溫度荷載產(chǎn)生的負(fù)面影響。在我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)過程中，大致將氣候分區(qū)劃分為3 個(gè)等級(jí)，分別為嚴(yán)寒區(qū)、寒冷區(qū)以及溫?zé)釁^(qū)，根據(jù)不同溫度等級(jí)計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)深度梯度效應(yīng)[3]。

溫度荷載計(jì)算具有抽象性的特點(diǎn)，地區(qū)不同，橋梁溫度荷載之間的差異性較大，需要對(duì)最高有效溫度和最低有效溫度進(jìn)行全面分析，橋梁結(jié)構(gòu)的豎向溫度梯度如圖2 所示。其中H 為梁高，t 為混凝土橋面板的厚度，A 值大小根據(jù)H 的值確定。

圖2 豎向梯度溫度（單位：mm）

3.4 離心荷載

車輛駕駛平面曲線半徑在250m 之內(nèi)的情況下，需要計(jì)算汽車荷載離心力，橋梁設(shè)計(jì)中的離心力屬于可變荷載，其計(jì)算公式為車輛荷載乘以離心力系數(shù)，離心力系數(shù)與平面曲線半徑、設(shè)計(jì)時(shí)速具有非常緊密的聯(lián)系。這也表示，半徑和設(shè)計(jì)車速發(fā)生變化之后，離心力取值標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)發(fā)生變化。

3.5 人群荷載

人群荷載效應(yīng)在城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中進(jìn)行了明確規(guī)定，針對(duì)僅僅具有步行功能的橋梁來說，行人荷載的數(shù)值為5kPa，如果橋梁上既能夠通過行人，同時(shí)還可以行駛車輛，則行人荷載的取值最低為4.5kPa。從以上數(shù)值規(guī)定中能夠看出，僅有行人通行的行人荷載數(shù)值較高[4]。

3.6 橋梁設(shè)計(jì)荷載組合

從我國(guó)交通部門發(fā)布的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）中的內(nèi)容能夠看出，針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)荷載作用以分類制定了明確規(guī)定，根據(jù)橋梁極限承載能力完成橋梁設(shè)計(jì)工作，其主要組合形式可以分為以下5種類型。

①基本可變荷載與永久性荷載，這也是橋梁設(shè)計(jì)荷載中較為基礎(chǔ)的組合形式，在橋梁設(shè)計(jì)中得到了廣泛運(yùn)用。②在第一種組合形式的基礎(chǔ)上增加可變荷載，該組合中后者可變荷載主要是由于其他因素影響產(chǎn)生。③將偶然因素導(dǎo)致的荷載與第一種組合形式相互結(jié)合。④在橋梁項(xiàng)目施工驗(yàn)算過程中，由于施工因素的影響，會(huì)產(chǎn)生附加荷載，其中包括結(jié)構(gòu)自重、施工機(jī)械以及模板支架等，需要將其與第一種組合相互整合。⑤橋梁設(shè)計(jì)荷載中存在較多的影響因素，因此永久性荷載之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，進(jìn)而出現(xiàn)荷載效應(yīng)，例如預(yù)應(yīng)力以及外部環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響等。由于橋梁設(shè)計(jì)荷載的實(shí)際情況不同，不同類型荷載之間形成相應(yīng)的組合，加上橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)并不固定，這就需要調(diào)整橋梁設(shè)計(jì)荷載組合中的系數(shù)。針對(duì)這一情況，要根據(jù)橋梁實(shí)際情況選擇相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，再根據(jù)對(duì)應(yīng)公式完成橋梁設(shè)計(jì)荷載組合效應(yīng)計(jì)算，確保取值的合理性。

3.7 實(shí)際工程案例分析

本案例屬于一級(jí)道路，為雙向的四車道，駕駛速度80km/h，橋梁上平曲線半徑250m，采用預(yù)制簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土橋面連續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)。本案例中橋梁較長(zhǎng)，由于橋梁運(yùn)營(yíng)期間會(huì)受到多種類型荷載的影響，因此需要保證橋梁設(shè)計(jì)荷載組合設(shè)計(jì)的規(guī)范性和有效性。設(shè)計(jì)人員針對(duì)橋梁設(shè)計(jì)荷載組合驗(yàn)算結(jié)果完成結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，確保在橋梁受力結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到相應(yīng)條件，使其能夠滿足正常運(yùn)行的需求。

針對(duì)這一橋梁建設(shè)項(xiàng)目，具體橋梁設(shè)計(jì)荷載組合形式為以下3 種：①永久性荷載。針對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的上部與下部結(jié)構(gòu)受力情況展開分析計(jì)算，在設(shè)計(jì)永久荷載階段，將橋梁結(jié)構(gòu)的自重、混凝土收縮徐變作為重點(diǎn)完成設(shè)計(jì)。②可變荷載。橋梁設(shè)計(jì)中，可變荷載的影響范圍較大，其中主要包括車輛荷載、車輛沖擊力荷載以及車輛離心力荷載等，因此需要從以上3 個(gè)方面入手，完成計(jì)算和分析。③地震荷載。本次橋梁建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域地震烈度為Ⅷ級(jí)，要針對(duì)橋梁抗震性能進(jìn)行分析計(jì)算。橋梁設(shè)計(jì)荷載組合中，按照荷載類型的不同，在極限條件之下分析荷載組合，這種方式能夠保證在最不利于結(jié)構(gòu)安全的條件下橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能的穩(wěn)定性，確保橋梁項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)安全運(yùn)行[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，我國(guó)交通行業(yè)得到了快速發(fā)展，并且交通建設(shè)水平能反映出一個(gè)地區(qū)的綜合實(shí)力，其中橋梁項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，其荷載不斷上升。這就要求在橋梁設(shè)計(jì)中，全面分析不同荷載產(chǎn)生的影響，確定橋梁設(shè)計(jì)荷載組合形式，通過這種方式控制橋梁的設(shè)計(jì)承載力，達(dá)到項(xiàng)目施工建設(shè)關(guān)于安全、耐久以及適用的標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出，優(yōu)化橋梁設(shè)計(jì)荷載以及組合，對(duì)于我國(guó)交通建設(shè)領(lǐng)域的良好發(fā)展具有促進(jìn)作用。