王汝志， 汪 蓮

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

公路橋梁新舊規(guī)范汽車荷載及效應(yīng)對比研究

王汝志， 汪 蓮

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

文章對比分析了15規(guī)范、04規(guī)范在汽車荷載方面的異同，分別從汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值、橫向車道布載系數(shù)、組合值系數(shù)等方面闡述新舊規(guī)范的規(guī)定。同時，選取我國公路橋梁常見標(biāo)準(zhǔn)跨徑空心板梁為樣本，將新舊規(guī)范的汽車荷載在這些樣本橋梁上加載，得到簡支板梁汽車荷載效應(yīng)、內(nèi)力組合、配筋量，并進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明，與舊規(guī)范相比，新規(guī)范對于中小跨徑公路橋梁的設(shè)計汽車荷載顯著增大，荷載組合更趨合理，橋梁安全儲備更高。

公路橋梁；設(shè)計規(guī)范；汽車荷載；橫向分布；組合值系數(shù)

0 引 言

公路橋梁的安全性很大程度上取決于實際運營的汽車荷載大小，特別對于中小跨徑橋梁而言，其恒活載比例較小，故橋梁規(guī)范中的設(shè)計汽車荷載直接影響結(jié)構(gòu)的安全和適用。隨著我國交通運輸需求不斷增大、公路重載車輛日益增多，原有04規(guī)范[1]的設(shè)計汽車荷載已難以適應(yīng)實際運營汽車荷載。2008～2011年，中交公路規(guī)劃院通過“橋梁設(shè)計荷載與安全鑒定荷載研究”項目，進(jìn)行了全面汽車荷載現(xiàn)狀調(diào)查和數(shù)據(jù)分析。先后獲取了全國23個省市69個公路測站的實測汽車荷載數(shù)據(jù)近4 300萬組[2]，并基于車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量計算。據(jù)此，交通運輸部于2015年9月頒布的15規(guī)范[3]中對汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)，如分項系數(shù)、橫向折減系數(shù)、組合值系數(shù)等進(jìn)行了調(diào)整。

由于15規(guī)范實施時間尚短，對新規(guī)范下中小跨徑橋梁汽車荷載效應(yīng)的研究還很少。本文對比分析了新舊規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)的異同，同時基于新舊規(guī)范計算了跨徑為10 m、13 m、16 m、20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板梁的活載效應(yīng)、內(nèi)力組合和配筋，進(jìn)一步研究新規(guī)范設(shè)計汽車荷載與實際運營汽車荷載的適應(yīng)性。

1 公路汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)

我國公路橋梁汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)是基于實測數(shù)據(jù)確定的。到2015年為止，04規(guī)范已實施11年之久，我國公路橋梁運營汽車荷載日新月異，以實際運營汽車荷載效應(yīng)與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)之比作為對象進(jìn)行統(tǒng)計比較，如圖1所示。

圖1 規(guī)范汽車與實際汽車荷載效應(yīng)的適應(yīng)性

圖1表明，50 m跨徑以內(nèi)橋梁實際運營汽車荷載超越04規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的問題較為突出，因此，需要調(diào)整中小跨徑橋梁汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)實際運營汽車荷載。鑒于04規(guī)范中汽車荷載模式具有形式簡明、實用性強等優(yōu)點，15規(guī)范在保留原有汽車荷載模式的基礎(chǔ)上，對車道荷載[4]中的集中荷載進(jìn)行了調(diào)整：提高了跨徑在5 m以下的橋梁的汽車荷載，如表1所列，使跨徑在50 m以內(nèi)橋梁的設(shè)計汽車荷載有所增加。

表1 新舊規(guī)范公路-Ⅰ級汽車荷載規(guī)定

2 汽車荷載有關(guān)參數(shù)

2.1 汽車荷載分項系數(shù)

在承載能力極限狀態(tài)驗算中，汽車荷載效應(yīng)應(yīng)乘以相應(yīng)的荷載分項系數(shù)，得到汽車荷載效應(yīng)設(shè)計值。04規(guī)范中汽車荷載分項系數(shù)為1.4。全國汽車荷載研究中，軸重的統(tǒng)計結(jié)果顯示，三聯(lián)軸車輛數(shù)量逐漸增大且超載嚴(yán)重，對橋梁結(jié)構(gòu)的局部安全產(chǎn)生很大影響。而在04規(guī)范中只有用于局部驗算的雙聯(lián)軸車輛荷載規(guī)定，如圖2所示。

圖2 車輛荷載(尺寸單位：m，荷載單位：kN)

為確定三聯(lián)軸軸組的重量標(biāo)準(zhǔn)，對全國軸重限值保證率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在04規(guī)范雙軸組的基礎(chǔ)上增加一個后軸為42 t的三軸組模型其保證率達(dá)到98.6%[2]。為了反映汽車軸載實際情況，且能維持規(guī)范的延續(xù)性，15規(guī)范仍采用04規(guī)范中的車輛荷載，只是按照42 t的三聯(lián)軸效應(yīng)與雙聯(lián)軸效應(yīng)等效的原則，將車輛荷載分項系數(shù)由1.4提高到1.8。

2.2 橫向車道布載系數(shù)

沿橋?qū)挷贾枚嘬嚨榔嚭奢d時，應(yīng)對汽車荷載進(jìn)行折減，而當(dāng)僅設(shè)置一條車道時，根據(jù)概率理論分析，應(yīng)考慮汽車荷載的提高。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，英、法、美等國均采用不同的方法對單車道汽車荷載進(jìn)行了適當(dāng)?shù)奶岣遊5]。

04規(guī)范中列出了2車道以上的橫向車道布載系數(shù)(原為“橫向折減系數(shù)”)，15規(guī)范在此基礎(chǔ)上增列了單車道橫向車道布載系數(shù)為1.2，如表2所列。單車道布載系數(shù)的提高使單車道橋梁的汽車荷載效應(yīng)增加20%，提高結(jié)構(gòu)物對偶然出現(xiàn)的超重車輛的承載能力。

表2 新舊規(guī)范多車道布載的橫向系數(shù)

2.3 荷載組合值系數(shù)

橋梁在使用中會承受汽車荷載、人群荷載、風(fēng)荷載等多種荷載作用，結(jié)構(gòu)的安全性取決于設(shè)計使用年限內(nèi)總荷載效應(yīng)的最大值。由于各個作用不太可能同時達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，故需采用荷載組合值系數(shù)對可能出現(xiàn)的最不利荷載進(jìn)行組合。

《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[6](簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)和04規(guī)范中的荷載組合系數(shù)規(guī)定如表3所列，即荷載組合系數(shù)隨荷載數(shù)目的增加而減小。根據(jù)上述荷載組合系數(shù)計算若干可變作用組合時結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)[7]，結(jié)果表明，當(dāng)荷載組合值系數(shù)隨著可變荷載數(shù)目的增加而減小時，構(gòu)件的可靠指標(biāo)降低，這是不合理的。

為了保持不同數(shù)目荷載組合時，結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)不變，并與《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[8]相協(xié)調(diào)，15規(guī)范將組合值系數(shù)統(tǒng)一取為0.75，由此計算得出橋梁結(jié)構(gòu)在多重荷載作用下具有比較一致的可靠度。

表3 各規(guī)范中荷載組合值系數(shù)

3 預(yù)應(yīng)力板橋設(shè)計汽車荷載效應(yīng)對比

以標(biāo)準(zhǔn)跨徑10～20 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板橋為研究對象，按照新舊規(guī)范公路-Ⅰ級汽車荷載分別施加單車道、雙車道、三車道汽車荷載，考慮荷載縱橫向折減和沖擊作用，計算結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)、內(nèi)力組合和鋼筋配置，并進(jìn)行比較。

根據(jù)《公路橋梁結(jié)構(gòu)上部構(gòu)造系列通用設(shè)計圖》確定10～20 m簡支板梁跨中截面單塊板(中板)的截面基本信息見圖3、表4所示。橋面全寬11.25 m，由8塊板組成。根據(jù)規(guī)范采用單車道寬度為3.75 m，最多可劃分為三車道。主梁采用C50混凝土。

表4 單塊板(中板)截面性質(zhì)

圖3 跨中截面示意圖

3.1 汽車荷載效應(yīng)對比

用鉸接板法[9]計算各跨徑空心板梁的汽車荷載橫向分布系數(shù)，各車道橫向分布系數(shù)應(yīng)依據(jù)表2進(jìn)行調(diào)增或折減。計算新舊規(guī)范汽車荷載作用下各跨徑空心板梁跨中彎矩(考慮沖擊作用和橫向車道布載系數(shù))如圖4所示。

圖4 新舊規(guī)范下汽車活載彎矩對比圖

由圖4可知，15規(guī)范對汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整使小跨徑空心板梁的活載效應(yīng)顯著增大，且跨徑越小，增值越大。其中單車道加載時，由于橫向車道布載系數(shù)和汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的雙重調(diào)增，使得15規(guī)范下各跨徑簡支板梁跨中彎矩效應(yīng)較之04規(guī)范增大42%～60%；多車道加載時，由汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)調(diào)增引起活載彎矩增大18%～33%。即與04規(guī)范相比，15規(guī)范提高了小跨徑橋梁的設(shè)計汽車荷載，確保其在重載交通突出情況下的安全運營。

3.2 簡支板橋內(nèi)力及配筋計算對比

由于兩車道加載時活載效應(yīng)高于或近似等于三車道加載，故以兩車道汽車荷載作為設(shè)計汽車荷載進(jìn)行內(nèi)力組合及配筋計算。

對橋梁永久作用及可變作用進(jìn)行組合[10]。其中作用的基本組合與結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計密切相關(guān)。表5列出了基本組合彎矩效應(yīng)。以10 m跨徑板橋為例，15規(guī)范下橋梁內(nèi)力明顯增大，其中基本組合彎矩效應(yīng)增大19.04%。

樣本橋梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計，根據(jù)構(gòu)件抗裂性的要求以及作用頻遇組合來估算各跨徑簡支板橋的預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積見表5。設(shè)計采用高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑為15.2 mm，公稱面積139 mm2。表5中按15規(guī)范估算的預(yù)應(yīng)力鋼筋面積比按04規(guī)范估算增加109.04 mm2至154.95 mm2，即新規(guī)范下相同跨徑橋梁需增配1～2根預(yù)應(yīng)力鋼筋方符合抗裂驗算要求。

表5 新舊規(guī)范簡支板橋內(nèi)力組合及配筋估算對比

4 結(jié) 論

(1) 15規(guī)范調(diào)增了50 m跨徑以內(nèi)橋梁的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值，保證了絕大多數(shù)中小跨徑橋梁實際運營汽車荷載效應(yīng)低于規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。

(2) 15規(guī)范根據(jù)實際調(diào)研對車輛荷載分項系數(shù)、單車道橫向布載系數(shù)及可變作用組合值系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，即在一定程度上提高了荷載系數(shù)，則較之04規(guī)范，15規(guī)范提高了同類橋梁的安全儲備。

(3) 10～20 m小跨徑簡支板梁在15規(guī)范汽車荷載作用下，橋梁內(nèi)力顯著增大，設(shè)計配筋量也相應(yīng)增加，可以據(jù)此對按04規(guī)范設(shè)計的橋涵進(jìn)行校核。

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

[2] 張喜剛.公路橋梁汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)研究[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3] JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4] JTG B01-2014,公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 吳 騰，葛耀君，熊 潔.現(xiàn)行國內(nèi)外公路橋梁汽車荷載效應(yīng)及其響應(yīng)的比較[J].結(jié)構(gòu)工程師，2008,24(5)：130～136.

[6] GB/T 50283-1999,公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] 陳 亮.結(jié)構(gòu)可靠度理論在公路橋梁設(shè)計中的若干應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[8] GB 50153-2008，工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9] 邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2014.

[10] 葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：人民交通出版社,2014.

2016-12-15

王汝志(1991-)，女，安徽廣德人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

U441.2；442.51

A

1673-5781(2016)06-0735-03