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        新建公路橋梁上跨高速鐵路汽車荷載研究

        2014-09-27 07:22:50喬晉姿
        城市道橋與防洪 2014年8期
        關(guān)鍵詞:活載車道箱梁

        喬晉姿

        (中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海市 200070)

        0 背景

        為進一步貫徹落實黨中央、國務院對“7.23”甬溫線列車追尾特大事故作出的重要指示精神,2011年7月鐵道部提出了對高速鐵路技術(shù)標準進行梳理的要求,建設(shè)司委托我院開展了“新建公路橋梁上跨高速鐵路防護安全技術(shù)標準”課題研究及納規(guī)工作。

        1 概述

        1.1 上跨高速鐵路立交橋現(xiàn)狀

        截止2011年底,全國各鐵路范圍內(nèi)上跨鐵路的立交橋共計5 318座,其中的上跨橋已達784座。結(jié)合課題研究,對784座上跨橋進行了深入調(diào)查,并進行了分類統(tǒng)計。以建設(shè)標準區(qū)分,公路I級、II級、城市道路分別占 10.6%、23.0%、9.2%,共42.9%。以主跨區(qū)分,跨徑L<20 m的小橋占全部上跨橋的46.9%;跨徑20~30 m、30~40 m的中橋分別占全部上跨橋的32.7%和5.9%。以結(jié)構(gòu)類型區(qū)分,空心板梁約48%、簡支箱梁約24%。

        總的來看,基本遵循了與高鐵同期建設(shè)的原則,但設(shè)計標準多、結(jié)構(gòu)類型雜、防護措施參差不齊。

        1.2 我國汽車超載現(xiàn)狀

        根據(jù)交通部公路科學研究所對山西、河北、河南三省的調(diào)研,幾乎所有干線公路均存在汽車車輛超載的現(xiàn)象,且超載程度十分嚴重,已經(jīng)達到了額定承載的2~3倍。超載現(xiàn)象的出現(xiàn),不但反映了汽車運輸?shù)臒o序性,從另一個側(cè)面也反映了大宗貨物運輸?shù)男枨蟆R虺d釀成橋梁垮塌事故時有發(fā)生,如若發(fā)生在高速鐵路上,后果不堪設(shè)想。

        2 汽車荷載

        對于汽車荷載取值,我國公路、城市橋梁規(guī)范不盡相同,且與國外規(guī)范存在較大差異。

        2.1 我國公路汽車荷載

        公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60-2004)規(guī)定:公路汽車荷載分為公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級,包括車道荷載和車輛荷載,兩者作用不得疊加。其中公路-Ⅰ級車道荷載均布荷載標準值qk=10.5 kN/m;集中荷載標準值,當橋梁計算跨徑小于或等于5 m時Pk=180 kN,當橋梁計算跨徑等于或大于50 m時Pk=360 kN;其余Pk值采用直線內(nèi)插。計算剪力效應時,集中荷載標準值應乘1.2的系數(shù)。

        車輛荷載總重550 kN,車長15 m,車寬2.5 m,縱向軸距3 m+1.4 m+7 m+1.4 m,橫向輪距1.8 m。

        2.2 我國城市橋梁汽車荷載

        城市橋梁設(shè)計規(guī)范(CJJ 11-2011)規(guī)定:城市橋梁汽車荷載分為城-A級和城-B級,包括車道荷載和車輛荷載,兩者作用不得疊加。其中城-A級車道荷載同公路-Ⅰ級。

        車輛荷載總重700 kN,車長18 m,車寬2.5 m,縱向軸距3.6m+1.2 m+6m+7.2m,橫向輪距1.8 m。

        2.3 美國公路規(guī)范(AASHTO)汽車荷載

        美國汽車活載為貨車荷載(或雙軸汽車荷載)與車道荷載的組合。車道荷載為9.3 kN/m的均布荷載,不考慮沖擊系數(shù)。貨車荷載設(shè)計值前軸重35 kN,后兩軸重145 kN,縱向軸距4.3 m和4.3~9.0 m。雙軸汽車荷載為一對110 kN的車輪荷載,縱向輪距1.2 m,橫向輪距1.8 m。

        設(shè)計時采用以下三種情況中最大者:(1)雙軸汽車荷載效應與設(shè)計車道荷載效應的疊加;(2)一輛貨車荷載效應與設(shè)計車道荷載效應的疊加;(3)兩輛貨車與另一輛貨車后軸最小間距為15 m時荷載效應的90%與設(shè)計車道荷載效應的90%疊加,此時每輛貨車的后輪軸距取4.3 m。

        2.4 英國規(guī)范(BS5400)汽車荷載

        汽車活載包括HA和HB兩種,HA荷載代表英國常規(guī)汽車荷載,HB為特殊單元荷載。

        HA荷載包括布荷載(UDL)加一個集中荷載(KEL)。當荷載長度L≤30 m時,UDL=30 kN/m;當 L>30 m時,UDL=151(1/L)0.475kN/m,但不小于9 kN/m。集中荷載KEL=120 kN。

        HB荷載為特殊車輛荷載,為4個軸16個車輪的車載。一個單位的HB荷載為每個輪重2.5 kN,每個軸重4×2.5=10 kN。HB荷載最小為25個單位,如有確切的依據(jù)時可增加到45個單位。車輛總寬度為3.5m,總長度按最不利效應分別取10m、15 m、20 m、25 m或30 m,其對應的兩內(nèi)軸間隔分別取6 m、11 m、16 m、21 m或26 m。

        整體計算中BS5400選用單獨的HA荷載、HA荷載與HB荷載組合兩種情況進行分析計算。

        2.5 各規(guī)范汽車荷載比較

        (1)我國公路橋梁和城市橋梁均采用相同的車道荷載規(guī)定;公路橋梁車輛荷載重力標準值550 kN,城-A級車輛荷載 700 kN,城-A級最大軸重及總重均大于公路橋梁車輛荷載。

        (2)美國規(guī)范活載取值高出我國規(guī)范活載20%左右。

        (3)英國BS5400中HA荷載與我國公路規(guī)范車道荷載相似,HB荷載與我國公路規(guī)范車輛荷載相似;BS5400中HA和HB荷載可同時進行組合,而我國公路規(guī)范的車道荷載和車輛荷載的作用不疊加。而且BS5400中汽車荷載的分項系數(shù)取值標準高于JTG D60。對于常用跨徑橋梁而言,按BS5400比按JTG D60規(guī)范取值上,同等跨度其效應高出30%以上。

        3 我國治超現(xiàn)狀

        對于汽車超載,我國制定了系列治理超載政策及處罰措施。

        3.1 治超政策

        交通部、公安部等七部委聯(lián)合下發(fā)(交公路發(fā)〔2004〕219號)文件中對 2軸、3軸、4軸、5軸、6軸及以上限超載率的限值分別為17.6%、15.4%、8.1%、16.3%、12.2%,其中最大超載率達到17.6%。

        計重收費政策各地大同小異,其中對超限裝載小于30%的部分按基本費率收取;超限裝載大于30%的部分按基本費率的1~6倍收取。收費政策從另外一個側(cè)面反應出30%以下的超載是常見現(xiàn)象。

        3.2 治超條件限制下汽車荷載效應

        根據(jù)廣深高速、107國道和虎門大橋東引橋治超55 t限載條件下汽車荷載效應計算分析,實際車流與公路-Ⅰ級的簡支梁最大正彎矩荷載效應比值分別為 1.06~1.15、0.9~1.21、0.82~1.05。由此可見,即使在治超政策規(guī)定的限制標準內(nèi),一般運行狀態(tài)車隊(實際車流)在中小跨徑橋梁中所產(chǎn)生的荷載效應最大達到了公路-Ⅰ級荷載效應的121%。

        4 上跨橋設(shè)計汽車荷載標準提高系數(shù)

        通過對我國現(xiàn)行公路、市政橋梁規(guī)范及美國、英國橋梁規(guī)范中汽車荷載效應的綜合對比分析,結(jié)合我國常見的超載現(xiàn)象及治超政策規(guī)定,上跨橋的汽車荷載標準可在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上,提高30%作為基本的提高系數(shù),理由如下:

        (1)我國橋梁的設(shè)計荷載均低于美英等發(fā)達國家,采用1.3的提高系數(shù)也僅與英國基本持平。從長遠的發(fā)展觀點來看,我國的標準應逐漸向國際水平靠近。

        (2)按照現(xiàn)行治超政策規(guī)定,擬合車流產(chǎn)生的橋梁荷載效應已超出公路-Ⅰ級荷載效應的21%,考慮到適當?shù)陌踩珒洌谠O(shè)計時采用1.3的提高系數(shù),略偏安全。

        (3)采用該值與國內(nèi)對現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于“汽車荷載”修改的呼聲相一致。例如,《河南省高速公路設(shè)計技術(shù)要求》規(guī)定:高速公路和特大橋梁、特殊橋梁的車道荷載均布荷載標準值qk、集中荷載標準值Pk和車輛荷載按公路-I級的1.3倍設(shè)計。

        (4)針對跨徑20~40 m簡支箱梁,取橋面凈寬7 m,雙向2車道,當公路-Ⅰ級荷載提高1.3倍后,荷載效應增大5%~14%。

        5 技術(shù)經(jīng)濟分析

        為了從宏觀上了解上跨橋提高汽車活載系數(shù)后經(jīng)濟性方面的差別,以交通部40 m裝配式簡支小箱梁(橋面寬13 m,單向3車道)和合蚌客專五湖大道上跨立交橋主跨25 m+35 m+25 m連續(xù)梁(橋面寬24 m,單向4車道)為例,按不同安全等級、汽車荷載取值,通過對梁高、預應力調(diào)整等措施滿足同等可靠度情況下,進行了分析。

        5.1 經(jīng)濟性分析

        調(diào)整前后經(jīng)濟指標見表1、表2。

        由表1可以看出,對于40 m小箱梁,當梁高不變,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)由1.0提高到1.1、汽車活載提高系數(shù)由1.0提高到1.3時,僅通過預應力調(diào)整時,結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范要求,需同時調(diào)整梁高和預應力。當梁高由2.25增加至2.4 m,預應力鋼筋增加時,混凝土量增加4.2%,預應力鋼筋增加14.3%。

        表1 交通部40 m裝配式簡支小箱梁經(jīng)濟指標(橋面寬13 m)

        表2 合蚌五湖大道(25+35+25)m連續(xù)梁經(jīng)濟指標(橋面寬24 m)

        由表2可以看出,對于25 m+35 m+25 m連續(xù)箱梁,當梁高不變,結(jié)構(gòu)重要性系統(tǒng)由1.0提高到1.1、汽車活載提高系數(shù)由1.0提高到1.3時,預應力鋼筋增加7.2%。

        5.2 可靠度分析

        可靠指標β值是衡量結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值指標,β值越大,失效概率pf越小,結(jié)構(gòu)越可靠。工程上結(jié)構(gòu)可靠度分析的實用方法有中心點法和驗算點法。

        表3為《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》(GB 50153-2008)規(guī)定的最低可靠度指標。參照上述40 m簡支小箱梁和25 m+35 m+25 m連續(xù)箱梁計算結(jié)果,進行可靠度研究,結(jié)果見表4~表5。

        表3 公路橋梁設(shè)計規(guī)范的目標可靠指標

        表4 40m簡支小箱梁正截面抗彎承載力可靠度指標(預應力調(diào)整)

        表5 25m+35m+25m連續(xù)箱梁正截面抗彎承載力可靠度指標(預應力調(diào)整)

        (1)以40 m簡支小箱梁中梁為例

        當梁高由2.25 m增加至2.4 m、預應力調(diào)整后、重要性系數(shù)和活載不提高時,中梁可靠指標β為6.72;當重要性系數(shù)提高到1.1、活載提高到1.3時,中梁可靠指標β為6.15;降幅為8.48%,大于規(guī)范允許值4.7,結(jié)構(gòu)可靠度滿足規(guī)范要求。

        (2)以25 m+35 m+25 m連續(xù)箱梁為例

        當重要性系數(shù)提高到1.1、活載提高到1.3且預應力調(diào)整后,可靠度指標β從7.47下降到6.88,降幅為7.90%,大于規(guī)范允許值4.7,結(jié)構(gòu)可靠度滿足規(guī)范要求。

        6 研究結(jié)論

        (1)新建公路(城市道路)上跨高速鐵路立交橋主跨及相鄰兩邊跨橋梁結(jié)構(gòu)汽車荷載采用相應標準設(shè)計荷載的1.3倍。位于城市人口稠密、交通繁忙或超載嚴重的地區(qū),汽車設(shè)計荷載可根據(jù)實際情況進一步提高。

        (2)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)由1.0提高到1.1、汽車活載提高系數(shù)由1.0提高到1.3時,混凝土或預應力增加比例較小,工程量稍有增加即可保證足夠的安全度,投資增加有限,但對上跨橋承載能力的提高卻極為明顯。

        (3)研究結(jié)果“汽車荷載采用相應標準設(shè)計荷載的1.3倍。位于城市人口稠密、交通繁忙或超載嚴重的地區(qū),汽車設(shè)計荷載可根據(jù)實際情況進一步提高?!币鸭{入《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621-2009)和《新建時速200~250 km客運專線鐵路設(shè)計暫規(guī)(200 km部分)》(鐵建設(shè)【2005】140號)兩規(guī)范修編計劃。

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

        [2]徐凱.現(xiàn)行公路橋梁設(shè)計汽車荷載適應性研究[D].陜西西安:長安大學,2010.

        [3]中鐵上海設(shè)計院集團有限公司.新建公路橋梁上跨高速鐵路防護安全技術(shù)標準研究報告[R].上海:中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,2013.

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