喬晉姿

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

0 背景

為進(jìn)一步貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(hù)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”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(jì)5 318座，其中的上跨橋已達(dá)784座。結(jié)合課題研究，對784座上跨橋進(jìn)行了深入調(diào)查，并進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。以建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)多、結(jié)構(gòu)類型雜、防護(hù)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(xué)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(yán)重，已經(jīng)達(dá)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(yùn)輸?shù)臒o序性，從另一個側(cè)面也反映了大宗貨物運(yùn)輸?shù)男枨?。因超載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(jì)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(biāo)準(zhǔn)值qk＝10.5 kN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑小于或等于5 m時Pk＝180 kN，當(dāng)橋梁計(jì)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(jì)算剪力效應(yīng)時，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)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(jì)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(jì)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(jì)時采用以下三種情況中最大者：（1）雙軸汽車荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)車道荷載效應(yīng)的疊加；（2）一輛貨車荷載效應(yīng)與設(shè)計(jì)車道荷載效應(yīng)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(yīng)的90%與設(shè)計(jì)車道荷載效應(yīng)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(dāng)荷載長度L≤30 m時，UDL=30 kN/m；當(dāng) 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(yīng)分別取10m、15 m、20 m、25 m或30 m，其對應(yīng)的兩內(nèi)軸間隔分別取6 m、11 m、16 m、21 m或26 m。

整體計(jì)算中BS5400選用單獨(dú)的HA荷載、HA荷載與HB荷載組合兩種情況進(jìn)行分析計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(xiàng)系數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dá)到17.6%。

計(jì)重收費(fèi)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(fèi)率收?。怀扪b載大于30%的部分按基本費(fèi)率的1～6倍收取。收費(fèi)政策從另外一個側(cè)面反應(yīng)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(yīng)

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(yīng)計(jì)算分析，實(shí)際車流與公路-Ⅰ級的簡支梁最大正彎矩荷載效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，一般運(yùn)行狀態(tài)車隊(duì)（實(shí)際車流）在中小跨徑橋梁中所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)最大達(dá)到了公路-Ⅰ級荷載效應(yīng)的121%。

4 上跨橋設(shè)計(jì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)荷載均低于美英等發(fā)達(dá)國家，采用1.3的提高系數(shù)也僅與英國基本持平。從長遠(yuǎn)的發(fā)展觀點(diǎn)來看，我國的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(yīng)已超出公路-Ⅰ級荷載效應(yīng)的21%，考慮到適當(dāng)?shù)陌踩珒?，在設(shè)計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)值qk、集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk和車輛荷載按公路-I級的1.3倍設(shè)計(jì)。

（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(dāng)公路-Ⅰ級荷載提高1.3倍后，荷載效應(yīng)增大5%～14%。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(yù)應(yīng)力調(diào)整等措施滿足同等可靠度情況下，進(jìn)行了分析。

5.1 經(jīng)濟(jì)性分析

調(diào)整前后經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1、表2。

由表1可以看出，對于40 m小箱梁，當(dāng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力。當(dāng)梁高由2.25增加至2.4 m，預(yù)應(yīng)力鋼筋增加時，混凝土量增加4.2%，預(yù)應(yīng)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(jì)指標(biāo)（橋面寬13 m）

表2 合蚌五湖大道（25+35+25）m連續(xù)梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（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(dāng)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(yù)應(yīng)力鋼筋增加7.2%。

5.2 可靠度分析

可靠指標(biāo)β值是衡量結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值指標(biāo)，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(shí)用方法有中心點(diǎn)法和驗(yàn)算點(diǎn)法。

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

表3 公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的目標(biāo)可靠指標(biāo)

表4 40m簡支小箱梁正截面抗彎承載力可靠度指標(biāo)（預(yù)應(yīng)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(biāo)（預(yù)應(yīng)力調(diào)整）

（1）以40 m簡支小箱梁中梁為例

當(dāng)梁高由2.25 m增加至2.4 m、預(yù)應(yīng)力調(diào)整后、重要性系數(shù)和活載不提高時，中梁可靠指標(biāo)β為6.72；當(dāng)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(biāo)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(dāng)重要性系數(shù)提高到1.1、活載提高到1.3且預(yù)應(yīng)力調(diào)整后，可靠度指標(biāo)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的1.3倍。位于城市人口稠密、交通繁忙或超載嚴(yán)重的地區(qū)，汽車設(shè)計(jì)荷載可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)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(yù)應(yīng)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的1.3倍。位于城市人口稠密、交通繁忙或超載嚴(yán)重的地區(qū)，汽車設(shè)計(jì)荷載可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步提高。”已納入《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TB10621-2009）和《新建時速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫規(guī)（200 km部分）》（鐵建設(shè)【2005】140號）兩規(guī)范修編計(jì)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(yīng)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(jì)汽車荷載適應(yīng)性研究[D].陜西西安:長安大學(xué),2010.

[3]中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建公路橋梁上跨高速鐵路防護(hù)安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告[R].上海:中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2013.