韓波

（山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006）

重型車輛荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)安全分析研究

韓波

（山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006）

重型車輛雖然在整個(gè)交通車輛中占有比重較小，但對(duì)于特殊交通要求的橋梁，不能只采用現(xiàn)行規(guī)范要求荷載等級(jí)進(jìn)行計(jì)算，需要按照實(shí)際的車列荷載進(jìn)行加載計(jì)算。由于重型車輛荷載的實(shí)際汽車荷載效應(yīng)比規(guī)范計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值偏大，對(duì)于重載交通地區(qū)，需要獲取實(shí)際通行車輛的車重、軸重、軸距、車頭間距、車速等參數(shù)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體和局部驗(yàn)算。

重型車輛荷載；汽車荷載；荷載效應(yīng)

1　概述

橋梁上行駛的車輛種類繁多，有汽車、平板掛車、履帶車等；同一類車輛，例如汽車，也有許多不同型號(hào)和載重等級(jí)，而且隨著經(jīng)濟(jì)和交通的快速發(fā)展，出現(xiàn)了集裝箱運(yùn)輸車等載重量越來越大的車輛。同時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)承受的車輛荷載，具有不確定性、隨機(jī)性和隨時(shí)間變化的特性，難以在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確考慮。對(duì)于重載交通地區(qū)，無論是新建橋梁設(shè)計(jì)階段或是舊橋維修加固階段，如果能夠較準(zhǔn)確知道實(shí)際的汽車荷載對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)，并與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，這對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全分析具有非常重要的意義。

2　重型車輛荷載效應(yīng)分析

2.1我國(guó)公路橋梁汽車荷載簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代末至90年代初，在進(jìn)行基于概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)研究時(shí)，交通部曾委托公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院組織力量進(jìn)行了汽車荷載特性研究[1]。經(jīng)整理統(tǒng)計(jì)分析求得設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大值的概率分布和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，在考慮與原規(guī)范銜接的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)行規(guī)范的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)及其取值模擬為均布荷載加集中荷載的模式?，F(xiàn)行規(guī)范的公路Ⅰ級(jí)與原規(guī)范汽車-超20級(jí)基本相當(dāng)，公路Ⅱ級(jí)與汽車-20級(jí)基本相當(dāng)[2]。

交通運(yùn)輸部2015年發(fā)布的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)定，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載軸重和軸距如圖1所示（圖中軸重單位為kN，軸距單位為m）。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載（55t）軸距、軸重分布

2.2重型車輛荷載效應(yīng)分析及與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值進(jìn)行比較

為了適應(yīng)交通發(fā)展的需要，要求橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，并逐步提高。橋梁設(shè)計(jì)人員需要在合理考慮超載因素的情況下進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，提高橋梁的可靠度。

我國(guó)公路橋梁在全國(guó)范圍內(nèi)采用一本通用規(guī)范，汽車標(biāo)準(zhǔn)荷載是在全國(guó)范圍內(nèi)汽車荷載參數(shù)設(shè)計(jì)的分布模型，這就造成現(xiàn)有重型運(yùn)營(yíng)汽車荷載與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載不符。因此研究重載車輛設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)是橋梁設(shè)計(jì)者緊迫的任務(wù)，即制定適應(yīng)不同重載交通地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載，為橋梁結(jié)構(gòu)安全分析提供依據(jù)。下面是以一個(gè)具體實(shí)例進(jìn)行分析、比較。

某風(fēng)力發(fā)電站的超重設(shè)備運(yùn)輸車輛須經(jīng)過一座橋梁，平板掛車運(yùn)輸車輛荷載由運(yùn)輸設(shè)備和運(yùn)載車輛組成，質(zhì)量達(dá)120 t。該座橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，由于平板掛車運(yùn)輸車輛總重量及軸載密度已超過《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的汽車荷載等級(jí)（公路-Ⅰ級(jí)），屬于重載。需要根據(jù)實(shí)際公路交通組成的汽車荷載模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體和局部驗(yàn)算。

汽車荷載模式通常有虛擬車道荷載模式（例如由均布荷載和集中荷載組成的公路-Ⅰ級(jí)汽車荷載）和由標(biāo)準(zhǔn)車組成的車列荷載模式（例如已廢止的標(biāo)準(zhǔn)JTJ 021—1989的汽車-超20荷載）[3]。

本橋橋面凈寬7.5 m，按照規(guī)范要求布置2列車道，車輛荷載的橫橋向考慮兩種情況，第一種是按虛擬車道荷載模式加載，第二種是按實(shí)際的車列荷載模式加載，并進(jìn)行驗(yàn)算和對(duì)比。

（1）2列公路-Ⅰ級(jí)，如圖2所示。

圖2　2列公路-Ⅰ級(jí)（單位：m）

（2）1列重車+1列公路-Ⅰ級(jí)，如圖3所示。

圖3　1列重車+1列公路-Ⅰ級(jí)（單位：m）

橫向折減系數(shù)、縱向折減系數(shù)及沖擊系數(shù)等其他相關(guān)規(guī)定參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定執(zhí)行。

該橋跨徑及結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4　橋梁跨徑布置形式

本橋?yàn)槿邕B續(xù)梁，且跨徑組成具有代表性：

（1）采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算值。

（2）采用實(shí)際車列荷載布載分析，分別對(duì)邊中跨彎矩、邊支點(diǎn)負(fù)彎矩、邊支點(diǎn)剪力，見表1～表3。

表1　三跨連續(xù)梁截面跨中正彎矩規(guī)范計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際汽車荷載效應(yīng)比較　kN·m

表2　三跨連續(xù)梁截面支點(diǎn)負(fù)彎矩規(guī)范計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際汽車荷載效應(yīng)比較　kN·m

表3　三跨連續(xù)梁截面剪力規(guī)范計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際汽車荷載效應(yīng)比較　kN

從以上的表中可以看出，三跨連續(xù)梁關(guān)鍵截面實(shí)際汽車荷載效應(yīng)偏大于規(guī)范計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，重型車輛荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)是公路-Ⅰ級(jí)車道荷載產(chǎn)生彎矩效應(yīng)的接近1.1倍。對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)者來說，必須重視并且在實(shí)際工作中進(jìn)行研究。

3　重型車輛荷載效應(yīng)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值差異的原因分析

影響橋梁汽車荷載效應(yīng)的因素眾多，包括車頭間距、車重(軸重)分布以及車流量等[4]。這里著重分析重車車重(軸重)和車流量這兩個(gè)因素對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)車輛荷載效應(yīng)的影響。

3.1重車車重（軸重）分布影響

該車重為120 t，該車的軸距和軸重分配情況如圖5所示（圖中軸重單位為kN，軸距單位為m），這些重車對(duì)中小跨徑橋梁的汽車荷載效應(yīng)起著控制作用。

圖5　重型車輛（120 t）軸距、軸重分布

利用本次需要通行的一輛重車 (車重為120 t)對(duì)三等跨連續(xù)梁進(jìn)行了加載計(jì)算，對(duì)于三跨連續(xù)梁（20 m+32 m+20 m）關(guān)鍵截面汽車荷載效應(yīng)而言，實(shí)際重車效應(yīng)計(jì)算值要大于現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算值。

3.2車流量影響

日交通流量的增加會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)汽車荷載效應(yīng)產(chǎn)生多方面的影響，例如疲勞、多車道重車橫向相遇問題等。多車道重車橫向相遇問題，會(huì)導(dǎo)致橫向多個(gè)車道的影響線最大區(qū)域內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)不利車輛荷載的可能性會(huì)增大，往往會(huì)影響或控制中小跨徑橋梁的汽車荷載效應(yīng)。

通過重型車輛實(shí)際汽車荷載效應(yīng)和規(guī)范計(jì)算值的比較，旨在對(duì)現(xiàn)行橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的車輛荷載模型重新進(jìn)行評(píng)估。但要確定適用于某一地區(qū)交通流的汽車荷載需要在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行隨機(jī)過程分析，假定隨機(jī)過程取100年（即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期），得出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)汽車車隊(duì)荷載效應(yīng)最大值分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和概率分布函數(shù)，荷載效應(yīng)按95%的分位取值。對(duì)于某些有特殊交通要求的橋梁，為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算，不能簡(jiǎn)單地按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值，需要按實(shí)際的車列荷載進(jìn)行加載計(jì)算。

4　對(duì)于重型車輛荷載交通地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的建議

根據(jù)重型車輛荷載交通地區(qū)的交通狀況和橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)重載交通地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)提出以下建議：

4.1橋梁結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于承受重型車輛荷載交通的梁式橋，由于荷載內(nèi)力較大，相對(duì)于同一種橫斷面形式的橋梁來說，不同結(jié)構(gòu)體系受力也不同。設(shè)置合理的橋梁結(jié)構(gòu)體系，能夠減小梁體的最大彎矩值，提高橋梁的經(jīng)濟(jì)性能。在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)橋梁所處環(huán)境的實(shí)際情況，盡量采用多跨連續(xù)體系橋梁，減小橋梁的內(nèi)力值。

4.2構(gòu)造方面

橫向聯(lián)系能夠增強(qiáng)橋梁的整體受力性能，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用橫向聯(lián)系較好的結(jié)構(gòu)，根據(jù)內(nèi)力分布圖，進(jìn)行橫向受力分配，達(dá)到整體受力的效果。

4.3安全系數(shù)

由于汽車荷載長(zhǎng)期看來是變化的，為了避免日后承載力不足的問題，可以進(jìn)行近期的荷載增長(zhǎng)趨勢(shì)調(diào)查，給一個(gè)合理的增長(zhǎng)系數(shù)，使其在建成短期內(nèi)不出現(xiàn)承載力不足的問題。

我國(guó)國(guó)土面積較大，交通荷載狀況復(fù)雜，所以對(duì)于我國(guó)一本規(guī)范通行全國(guó)的狀況亟待解決。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和安全方面講，針對(duì)各個(gè)荷載不同地區(qū)，制定適用于本地區(qū)的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)，才能更好解決承載力不足及超載的問題。

5　結(jié)　語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和大型裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，大型重荷載車輛在公路上的行駛呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。通常，重荷載車輛的總重和軸重均明顯大于橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級(jí)，因此其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)該引起重視。本文通過重荷載與現(xiàn)行規(guī)范理論分析對(duì)比，研究了重型車輛荷載對(duì)梁橋的結(jié)構(gòu)影響。

（1）對(duì)于重型車輛荷載交通地區(qū)，需要獲取實(shí)際通行車輛的車重、軸重、軸距、車頭間距、車速等參數(shù)，將為研究橋梁實(shí)際車輛荷載分布規(guī)律及其效應(yīng)分析提供了很好的數(shù)據(jù)資源。

（2）重型車輛荷載橋梁結(jié)構(gòu)汽車荷載效應(yīng)計(jì)算值要大于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算值，需要選取合理的計(jì)算模式準(zhǔn)確模擬實(shí)際荷載，根據(jù)實(shí)際的車輛組成，采用車列荷載布載，以進(jìn)行正確的橋梁結(jié)構(gòu)整體和局部驗(yàn)算。

[1]“公路橋梁車輛荷載研究”課題組.公路橋梁車輛荷載研究[J].公路，1997，42(3)：8-12．

[2]周勇軍，梁玉照，賀栓海.公路橋梁汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，27（3）:101-108.

[3]成立濤，劉寧.重載交通條件下榆佳高速汽車荷載研究 [J].公路，2013，58(3)：63-67.

[4]JTG D60—2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]．

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1009-7716（2016）10-0086-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.026

2016-07-11

韓波（1985-），男，陜西西安人，工程師，從事橋梁工程工作。