陳 攀

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

0 引言

某高速公路特大橋南引橋（25m跨）擬改、擴(kuò)建為收費(fèi)廣場，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，收費(fèi)廣場排隊(duì)使得引橋段汽車間距減小，橋梁全寬、全長滿布荷載及行車集中制動(dòng)的概率大大增加，即實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)的汽車荷載分布模式與規(guī)范規(guī)定的荷載有很大區(qū)別。為此有必要對收費(fèi)廣場部分橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)（模式）開展評估，對舊橋改造和新建拼寬結(jié)構(gòu)的實(shí)際交通狀況進(jìn)行深入分析，提出荷載標(biāo)準(zhǔn)（模式），以此作為舊橋改造和新建拼寬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

該特大橋建于1996年，按汽車-超20級，掛車-120設(shè)計(jì)。引橋上部結(jié)構(gòu)為25 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁（灘孔），下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩，基礎(chǔ)為Ф1.8 m和Ф1.5 m鉆孔灌注樁。橋面寬33.5 m，原橫斷面如圖1所示。因規(guī)劃需要，擬將收費(fèi)站搬遷至該特大橋南岸，平面布置見圖2所示。新收費(fèi)站需占用該特大橋南引橋長度277.8 m，約11跨結(jié)構(gòu)。出口側(cè)橋面加寬寬度為27.73 m（左幅第一聯(lián)）、47.20 m（左幅第二聯(lián)），入口側(cè)橋面加寬寬度為16.10 m（右幅第一聯(lián)）。擴(kuò)建后的橫斷面（右幅第1聯(lián)）如圖3所示。

1 擁堵車輛條件橋梁荷載影響因素

收費(fèi)站排隊(duì)，擁堵條件下，荷載評估主要考慮了以下幾方面因素：

（1）出入口排隊(duì)差異。收費(fèi)站設(shè)置對左、右幅橋影響不同，需區(qū)別考慮。出口側(cè)汽車在路堤排隊(duì)，橋上則接近正常行駛，需考慮交通量的增長對其整體活載狀況有不利影響及拼寬后橫斷面的變化引起結(jié)構(gòu)受力的變化。而入口側(cè)汽車會(huì)在橋上排隊(duì)，汽車荷載分布模式與正常行駛條件差別較大，交通量增長、汽車荷載橫、縱向布置模式、汽車制動(dòng)力與改建前均有較大差異。此外，拼寬后橫斷面的變化也會(huì)引起結(jié)構(gòu)受力變化。

（2）遠(yuǎn)景交通增長。實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，交通量偏大或頻繁通行大噸位車、超重運(yùn)輸嚴(yán)重的重載交通橋梁，其實(shí)際汽車荷載與設(shè)計(jì)荷載分布模式之間有差別。參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，考慮未來交通量增長及重載交通增加等因素，以活載修正系數(shù)的方式，反映交通量、大噸位車輛混入率（重載交通、超載車輛）和軸荷分布（軸重）對橋梁的不利影響。

（3）汽車荷載橫向分布系數(shù)。收費(fèi)廣場排隊(duì)狀態(tài)下，多車道橫向最不利布載出現(xiàn)的概率與正常行駛條件下的概率是不同的。同時(shí)橋面改造成為寬橋，原荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法對其可能不再適用。

（4）汽車縱向布置。收費(fèi)廣場汽車荷載的縱向分布間距（車距）、車隊(duì)組成成分（軸間距、軸重）與常態(tài)荷載軸間距分布有差異。

（5）汽車制動(dòng)力。收費(fèi)廣場的汽車會(huì)同時(shí)或集中制動(dòng)，其概率明顯高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)考慮汽車集中制動(dòng)對橋梁的不利影響，對汽車荷載的制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整。

2 活載模式評估

2.1 活載影響修正系數(shù)確定

參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，汽車荷載分布特征主要表現(xiàn)在交通量、大噸位車輛量混入率和軸荷分布三個(gè)方面。

2.1.1 對應(yīng)于交通量的活載影響修正系數(shù)分析

交通量的活載修正系數(shù)通常是遠(yuǎn)景年預(yù)測交通量與設(shè)計(jì)交通量的比例系數(shù)。而大橋現(xiàn)場調(diào)查期的實(shí)際日標(biāo)準(zhǔn)交通量（50579 pcu，折算為標(biāo)準(zhǔn)交通量）大于2030年的預(yù)測日標(biāo)準(zhǔn)交通量（36317 pcu）。實(shí)際交通量與設(shè)計(jì)交通量之比為Qm/Qj=50579/50000=1.012，計(jì)算得到的活載影響修正系數(shù)為ξq1=1.002。

2.1.2 對應(yīng)于大噸位車輛混入率的活載影響修正系數(shù)分析

以重力超過汽車檢算荷載主車（20t）的大噸位車輛交通量與實(shí)際交通量的比值確定該系數(shù)。根據(jù)交通量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，見表1所列 。參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》計(jì)算得到大噸位車輛混入率的活載影響修正系數(shù)為ξq2=1.012。

表1 收費(fèi)站出口交通量車輛荷載匯總表

2.1.3 對應(yīng)于軸荷分布的活載影響修正系數(shù)分析

實(shí)際車輛的軸荷分布情況調(diào)查以貨車為主，統(tǒng)計(jì)了軸重超過汽車檢算荷載最大軸重（14t）的比例為74.7%。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，對應(yīng)于軸荷分布的活載影響修正系數(shù)為ξq3=1.40。

2.1.4 活載影響修正系數(shù)的推定

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，以交通量、大噸位車輛混入率和軸荷分布分析為基礎(chǔ)，推定活載影響修正系數(shù)為：

2.2 汽車荷載橫向分布修正

2.2.1 考慮實(shí)際情況的多車道橫向折減系數(shù)分析

多行車隊(duì)的橫向折減系數(shù)主要是考慮隨著橫向布置車隊(duì)數(shù)的增加，各加載車道上的車輛荷載同時(shí)處于最不利位置的概率減小。各車道上車輛同時(shí)處于最不利位置是一種隨機(jī)性事件，對一般橋梁而言，各車道上的車輛荷載可認(rèn)為是互不相關(guān)的。對于該特大橋南引橋而言，收費(fèi)站的設(shè)置使荷載橫向分布特性發(fā)生變化，其橫向各車道同時(shí)出現(xiàn)最不利荷載的概率大為增加?；谝陨弦蛩氐目紤]，參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003）規(guī)定，其荷載橫向分布系數(shù)應(yīng)對多車道橫向折減系數(shù)適當(dāng)提高，如表2所列。

表2 多行車隊(duì)橫向折減系數(shù)表

2.2.2 合適的荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法

一般梁式橋的荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算采用剛接梁法（方法一）或采用空間梁格系有限元法（方法二）計(jì)算。對改造前橋梁的寬跨比合適條件下采用剛接梁法較為合適，為此采用MIDAS軟件（空間梁格計(jì)算模型見圖4），建立空間梁格系有限元模型（未拼寬部分和拼寬16.10m部分），計(jì)算不同工況下的主梁內(nèi)力，確定其對應(yīng)的荷載橫向分布系數(shù)。將兩方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，僅以右幅第一聯(lián)（加寬 16.10 m）荷載橫向分布系數(shù)采用兩種方法計(jì)算的結(jié)果為例 （其余案例略），見圖5～圖7所示。

計(jì)算表明，少車道中梁采用空間梁格法計(jì)算的荷載橫向分布系要稍大，隨著車列數(shù)的增加，兩種方法計(jì)算得到的橫向分布系數(shù)結(jié)果趨于一致；邊梁采用兩種方法計(jì)算得到的荷載橫向分布系數(shù)基本一致。為簡單計(jì)算，剛接板梁法可用于該寬橋橫向分布系數(shù)的計(jì)算，對于支點(diǎn)截面橫向分布系數(shù)，可仍按“杠桿法”計(jì)算。橫向布載寬度可仍按規(guī)定布載。

2.3 汽車荷載縱向分布模式調(diào)整

出口側(cè)汽車在路堤上排隊(duì)，在橋上則接近正常行駛狀態(tài)，可延用原規(guī)范的規(guī)定。入口側(cè)汽車在橋上排隊(duì)，汽車荷載縱向分布模式與正常行駛條件下的差別較大，應(yīng)以實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮概率特征，確定右幅橋的汽車荷載縱向分布模式?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ 001-97）中對汽車縱向間距的確定是以樣本數(shù)據(jù)按皮爾遜-Ⅲ型曲線整理得出。鑒于汽車排隊(duì)狀態(tài)下縱向間距的分布，有別于汽車正常行駛狀態(tài)下的縱向間距分布，其概率密度分布函數(shù)可能不同。

收費(fèi)廣場汽車排隊(duì)縱向車間距調(diào)查地點(diǎn)以收費(fèi)站（舊址）為對象，實(shí)測汽車在收費(fèi)廣場排隊(duì)狀態(tài)下的縱向間距。連續(xù)三個(gè)調(diào)查日內(nèi)，調(diào)查車距共320組，其中標(biāo)準(zhǔn)車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距183組，加重車與標(biāo)準(zhǔn)車間距137組。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)繪制其統(tǒng)計(jì)直方圖，標(biāo)準(zhǔn)車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向車距的分布區(qū)間為〔3.4 m，12.9 m〕，加重車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向車距的分布區(qū)間為〔3.3 m，13.5 m〕，其統(tǒng)計(jì)直方圖如圖8、圖9 所示，數(shù)值特征見表3所列。

表3 樣本數(shù)據(jù)的數(shù)字特征一覽表

從圖8、圖9及表3可以看出，兩組樣本數(shù)據(jù)均為不對稱單峰分布，標(biāo)準(zhǔn)車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距平均值小于加重車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距平均值，標(biāo)準(zhǔn)車和標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距樣本數(shù)據(jù)的偏度和峰度均大于加重車和標(biāo)準(zhǔn)車樣本數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果。因此，對兩種縱向車距應(yīng)區(qū)別對待，分別采用不同的概率密度函數(shù)擬合其分布特征。

以皮爾遜曲線族對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度分布擬合，標(biāo)準(zhǔn)車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距符合皮爾遜－Ⅵ型分布，如圖10所示，加重車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距符合皮爾遜－Ⅰ分布，如圖11所示。從擬合結(jié)果可以看出，排隊(duì)狀態(tài)下，汽車縱向間距的分布函數(shù)與正常行車條件下不同。

根據(jù)概率累積曲線，超越概率為95%時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距為4.0 m，超越概率為95%時(shí)的加重車與標(biāo)準(zhǔn)車縱向間距為4.8 m。根據(jù)以上分析，入口側(cè)的汽車車隊(duì)縱向排列圖式如圖12所示，而出口側(cè)（左幅）的汽車車隊(duì)縱向排列圖式可按原規(guī)范規(guī)定考慮。

2.4 汽車制動(dòng)力修正

一般情況下，汽車制動(dòng)力約為0.2 QQQW左右（W為汽車總重力）。而車隊(duì)行駛時(shí)，需保持一定間距，其停車、起動(dòng)都受到限制，因此，車隊(duì)行駛時(shí)每輛車的制動(dòng)力比單車行駛時(shí)小。同時(shí)，由于上部構(gòu)造的慣性、制動(dòng)力部分消耗在上部構(gòu)造（包括支座）和橋墩的變形上，所以傳遞到橋墩的上制動(dòng)力約為全部制動(dòng)力之半，即0.1 W?！豆窐蚝O(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-89） 和 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）均以此為標(biāo)準(zhǔn)確定汽車制動(dòng)力。

當(dāng)車隊(duì)由正常行車狀態(tài)駛向收費(fèi)廣場時(shí)，汽車縱向間距接近正常行車條件下的縱向間距，但汽車集中制動(dòng)的概率比正常行車條件下大；而當(dāng)汽車在收費(fèi)廣場排隊(duì)時(shí)，汽車縱向間距比正常行車條件下的小，此時(shí)車速較低，其停車、起動(dòng)都受到限制，但橫向滿布荷載的概率比正常行車條件下大。對于出口側(cè)橋梁，汽車上橋后有一個(gè)加速的過程，對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)與行車方向相反的水平力，其作用與車隊(duì)駛向收費(fèi)廣場時(shí)的制動(dòng)力相似。

2.4.1 車隊(duì)從正常行駛狀態(tài)駛向收費(fèi)站時(shí)的制動(dòng)力

入口側(cè)（右幅）當(dāng)車隊(duì)從正常行駛狀態(tài)駛向收費(fèi)站時(shí)，其縱向車距接近正常行駛條件下的縱向車距。根據(jù)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》（GB 5768-1999）內(nèi)容，駛向收費(fèi)車道的車輛減速度約為1.8 m/s2。按此減速度計(jì)算一行汽車－超20級車隊(duì)在該特大橋南引橋5跨一聯(lián)上的制動(dòng)力為195 t×1.8 m/s2=351 kN。出口側(cè)（左幅）汽車上橋后處于加速階段，其對橋梁的反向水平力可按此方法計(jì)算，并考慮多車道橫向折減。

2.4.2 車隊(duì)在收費(fèi)廣場排隊(duì)時(shí)的制動(dòng)力

入口側(cè)收費(fèi)廣場排隊(duì)汽車縱向間距小，車速低，集中制動(dòng)的概率較正常行車大。此處參考規(guī)范對汽車制動(dòng)力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，按汽車總重力的10%計(jì)算其制動(dòng)力。根據(jù)圖12，按一行車隊(duì)總重的10%計(jì)算其汽車制動(dòng)力為328kN。

2.4.3 汽車制動(dòng)力比較

按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-89）計(jì)算南引橋5跨一聯(lián)內(nèi)一行車隊(duì)的制動(dòng)力為1750 kN×10%=175 kN；按 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)定，一個(gè)車道上汽車制動(dòng)力按車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長度上計(jì)算總重力的10%，即(10.5 kN/m×125 m+260 kN)×10%=157.25kN， 但小于標(biāo)準(zhǔn)值165kN要求，制動(dòng)力取165 kN。

比較認(rèn)為該收費(fèi)站不同聯(lián)長的橋梁制動(dòng)力計(jì)算可參考上述方法分別計(jì)算。偏安全考慮，取最大值合適。

2.5 汽車荷載沖擊系數(shù)計(jì)算

汽車的沖擊系數(shù)是汽車過橋時(shí)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動(dòng)力效應(yīng)的增大系數(shù)。沖擊作用有車體的振動(dòng)和橋跨結(jié)構(gòu)自身的變形和振動(dòng)。按“04”規(guī)范規(guī)定，可利用有限元模型計(jì)算得結(jié)構(gòu)基頻，再計(jì)算得各幅橋梁沖擊系數(shù)方法，該工程計(jì)算結(jié)果見表4所列。而當(dāng)無更精確方法計(jì)算時(shí)，規(guī)范也給出了估算方法。按上述計(jì)算規(guī)定分別進(jìn)行了荷載沖擊系數(shù)計(jì)算，見表5所列。

表4 估算方法計(jì)算各幅橋梁結(jié)構(gòu)基頻與沖擊系數(shù)一覽表

表5 按估算公式計(jì)算各幅橋梁結(jié)構(gòu)基頻與沖擊系一覽表

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ 021-89）計(jì)算，汽車荷載沖擊系數(shù)僅為μ=0.15。與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)范比較，后者的計(jì)算方法直接反映了沖擊系數(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性之間的關(guān)系，該方法更科學(xué)、合理。

3 結(jié)論

（1）橋梁因收費(fèi)站擁堵、排隊(duì)或其他因素?fù)矶拢ǘ喟l(fā)），其車輛荷載較正常荷載標(biāo)準(zhǔn)變化較大，應(yīng)予以修正。

（2）對于寬跨比過大的預(yù)制拼裝T梁橋其荷載橫向分布系數(shù)按剛接梁法計(jì)算，其精度可滿足工程需要。

（3）改造橋梁使用一定年限后其自身質(zhì)量狀況必然有所降低，應(yīng)開展全面質(zhì)量檢測，進(jìn)行其現(xiàn)狀承載力能力評定，參考該評估的標(biāo)準(zhǔn)，作為橋梁加固或設(shè)計(jì)的驗(yàn)算荷載。

[1]JTJ 021-89，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]JTJ 001-97，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[Z].北京：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，2005.

[6]高速公路xx收費(fèi)站搬遷工程xx特大橋南引橋荷載標(biāo)準(zhǔn) （模式）評估[Z].北京：交通部公路科學(xué)研究所，2009.