白午龍

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

0 引言

隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，設(shè)計(jì)咨詢行業(yè)也隨之拓展到更多地區(qū)。不同區(qū)域內(nèi)橋梁所承載的汽車類型不盡相同，各地區(qū)使用的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)汽車荷載的規(guī)定也有所區(qū)別。本文以印尼雅加達(dá)收費(fèi)公路項(xiàng)目為背景，研究印尼橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中涉及汽車荷載的相關(guān)內(nèi)容。考慮到印尼地區(qū)經(jīng)常借鑒美國(guó)規(guī)范，本文著重介紹并對(duì)比中國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015[1]，以下簡(jiǎn)稱中國(guó)規(guī)范）、美國(guó)AASHTO LRFD Bridge Design Specifications（5th Edition 2012，以下簡(jiǎn)稱美國(guó)規(guī)范）和印尼Bridge Loading Standard（SNI T-02-2005[2]，以下簡(jiǎn)稱印尼規(guī)范）中的汽車荷載各項(xiàng)規(guī)定，包括名義車道劃分、車道荷載、車輛荷載、沖擊系數(shù)、折減系數(shù)、布載方式等方面，并結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明三國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中汽車荷載的差異。

1 名義車道的劃分

中美印三國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展、道路交通安全要求等水平各不相同，因此三國(guó)規(guī)范中對(duì)名義車道的規(guī)定也有差異。但在不同的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，設(shè)計(jì)車道數(shù)的取值都同橋梁寬度密切相關(guān)。針對(duì)不同的橋梁寬度，各國(guó)規(guī)范對(duì)名義車道的劃分見(jiàn)表1。

表1 中美印三國(guó)名義車道比較 m

由表1可知，同等橋梁寬度下，中國(guó)規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較少，印尼規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較多，美國(guó)規(guī)范居中。例如當(dāng)橋梁寬度W為20 m，車輛雙向行駛時(shí)，中國(guó)規(guī)范定義車道數(shù)為4，美國(guó)規(guī)范為5，印尼規(guī)范為6。

2 車道荷載與車輛荷載

2.1 中國(guó)規(guī)范相關(guān)條文

公路橋涵設(shè)計(jì)時(shí)，汽車荷載分為公路-Ⅰ級(jí)和公路-Ⅱ級(jí)兩個(gè)等級(jí)，由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載；橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)和擋土墻土壓力等的計(jì)算采用車輛荷載。車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。

車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，計(jì)算圖示如圖1所示。公路-Ⅰ級(jí)車道荷載均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk取值見(jiàn)表2。公路-Ⅱ級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk和集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk按公路-Ⅱ級(jí)車道荷載的0.75倍采用。

圖1 中國(guó)規(guī)范車道荷載

表2 集中荷載Pk取值

車輛荷載的立面、平面尺寸如圖2、圖3所示。公路-Ⅰ級(jí)和公路-Ⅱ級(jí)汽車荷載采用相同的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2 中國(guó)規(guī)范車輛荷載立面尺寸

圖3 中國(guó)規(guī)范車輛荷載平面尺寸

2.2 美國(guó)規(guī)范相關(guān)條文

美國(guó)規(guī)范中的汽車荷載分類與中國(guó)規(guī)范相似，分為設(shè)計(jì)車道荷載、設(shè)計(jì)車輛荷載兩種方式。不同之處在于美國(guó)規(guī)范沒(méi)有根據(jù)公路等級(jí)將汽車荷載分級(jí)，其設(shè)計(jì)車輛荷載又分為卡車荷載和雙軸荷載兩種形式，設(shè)計(jì)車輛荷載和設(shè)計(jì)車道荷載要根據(jù)情況進(jìn)行疊加，以得到最大的荷載效應(yīng)。

美國(guó)規(guī)范中，車道荷載為均布荷載，標(biāo)準(zhǔn)值為9.3 N/mm，在橫向均勻分布在3 m寬的范圍內(nèi)，如圖4所示。車道荷載不考慮沖擊系數(shù)。設(shè)計(jì)卡車荷載有三個(gè)軸，前軸軸重35 kN，后兩個(gè)軸軸重均為145 kN，如圖5所示。軸距為4.3 m和4.3～9 m，后兩軸軸距應(yīng)該根據(jù)計(jì)算情況取最不利的軸距。雙軸荷載則由兩個(gè)集中荷載組成，大小為110 kN，間距為1.2 m，如圖6所示。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該取均布荷載+卡車荷載，以及均布荷載+雙軸荷載這兩種組合形式中的最大值作為設(shè)計(jì)活載。

圖4 美國(guó)規(guī)范均布荷載

圖5 美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)卡車特征

圖6 美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)雙軸縱向布置

2.3 印尼規(guī)范相關(guān)條文

印尼規(guī)范中的汽車荷載包括“D”車道荷載和“T”車輛荷載。其中，“D”車道荷載包括面荷載（UDL）和線荷載（KEL），如圖7所示。根據(jù)印尼規(guī)范，線荷載（KEL）為 49 kN/m，面荷載（UDL）的 q值（kPa）與跨徑L有關(guān)，如下式所示：

圖7 印尼規(guī)范車道荷載示意圖

UDL荷載集度如圖8所示。

圖8 UDL荷載集度

“T”車輛荷載中的車輛重量分布如圖9所示，兩車軸間距在4～9 m變化以產(chǎn)生最大的荷載效應(yīng)。車輛荷載要考慮沖擊系數(shù)。橋梁全長(zhǎng)范圍內(nèi)只能施加一輛“T”車輛荷載作為設(shè)計(jì)汽車荷載。

圖9 印尼規(guī)范“T”車輛荷載

3 汽車荷載折減

在公路橋梁活載效應(yīng)計(jì)算過(guò)程中，通常將空間結(jié)構(gòu)分析轉(zhuǎn)化為平面桿系結(jié)構(gòu)以達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，對(duì)結(jié)構(gòu)上所計(jì)算截面的某項(xiàng)荷載效應(yīng)的影響線按最不利位置進(jìn)行加載[3]。中國(guó)規(guī)范、美國(guó)規(guī)范均通過(guò)多車道橫向折減系數(shù)來(lái)考慮多個(gè)加載車道同時(shí)處于最不利荷載狀況的可能性，見(jiàn)表3。而印尼規(guī)范對(duì)于橫向多車道折減問(wèn)題則采用了給定布載方式的形式。

表3 中美規(guī)范橫向折減系數(shù)比較

印尼規(guī)范中車道5.5 m范圍內(nèi)橫向不折減，對(duì)寬度大于5.5 m的橋面，每車道2.75 m范圍內(nèi)不折減，其余范圍內(nèi)為50%（見(jiàn)圖10），其中n1為車道數(shù)。

圖10 印尼規(guī)范“D”車道荷載的橫向分布

此外，中國(guó)規(guī)范規(guī)定了縱向折減。大跨徑橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮縱向折減。當(dāng)橋梁計(jì)算跨徑大于150 m時(shí)，應(yīng)按表4規(guī)定的縱向折減系數(shù)進(jìn)行折減。當(dāng)為多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)按最大的計(jì)算跨徑考慮汽車荷載效應(yīng)的縱向折減。美國(guó)規(guī)范和印尼規(guī)范對(duì)汽車荷載沒(méi)有縱向折減的規(guī)定。

表4 中國(guó)規(guī)范縱向折減系數(shù)

4 沖擊系數(shù)

汽車的沖擊系數(shù)是汽車過(guò)橋時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向動(dòng)力增大系數(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)。研究表明，影響車輛動(dòng)力效應(yīng)的因素主要包括橋面的粗糙度、車輛的動(dòng)力特性、橋梁的動(dòng)力特性、車輛運(yùn)行速度及車輛數(shù)量等。然而由于影響動(dòng)力效應(yīng)的因素的測(cè)定及分析模型的不確定性，各國(guó)對(duì)于沖擊系數(shù)的考慮差異較大，見(jiàn)表5。

表5 動(dòng)力荷載允許值

圖11 印尼規(guī)范動(dòng)荷載增計(jì)系數(shù)

美國(guó)規(guī)范把構(gòu)件類別及計(jì)算狀態(tài)作為確定沖擊效應(yīng)主要考慮因素；接縫是橋梁的薄弱部位，在荷載的反復(fù)作用下失效的概率較大，且傳力效果下降較快，美國(guó)規(guī)范在接縫處動(dòng)力效應(yīng)取值較大，有利于接縫安全，保證結(jié)構(gòu)的整體性，這是合理的地方。在驗(yàn)算疲勞時(shí)考慮的是荷載的長(zhǎng)期作用，采用較小值較為合理。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，汽車的動(dòng)力效應(yīng)與橋梁的自振特性直接相關(guān)，自重大，整體性好，沖擊就小。中國(guó)規(guī)范把結(jié)構(gòu)基頻和橋梁結(jié)構(gòu)形式作為考慮因素，并在條文說(shuō)明中給出了各種橋型基頻計(jì)算的解析公式。印尼規(guī)范根據(jù)橋梁跨徑確定沖擊系數(shù)，跨徑越大，結(jié)構(gòu)剛度越小，沖擊效應(yīng)越小。

綜上所述，美國(guó)規(guī)范的沖擊系數(shù)依據(jù)的是大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，經(jīng)受了實(shí)踐考驗(yàn)；中國(guó)規(guī)范由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理加經(jīng)驗(yàn)修正得到?jīng)_擊系數(shù)，理論性更強(qiáng)；印尼規(guī)范根據(jù)跨徑確定沖擊系數(shù)，較為粗糙。

美國(guó)規(guī)范中的沖擊系數(shù)只施加于貨車和雙軸車輛荷載，不施加于車道荷載和人群荷載。中國(guó)規(guī)范中的沖擊系數(shù)只施加于車輛荷載，不施加于車道荷載。印尼規(guī)范中的沖擊系數(shù)施加于車道荷載及車輛荷載。

5 算例

以印尼雅加達(dá)收費(fèi)公路項(xiàng)目為背景，該工程橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置如下：0.5 m（防撞欄桿）+12.25 m（車行道）+0.8 m（中央防撞欄桿）+12.25 m（車行道）+0.5 m（防撞欄桿）=26.3 m。小箱梁采用上海市小箱梁，底寬1.5 m，35 m梁高1.9 m，由于小箱梁梁寬較寬，橫橋向布置6片小箱梁即可滿足受力要求。35 m跨徑扣除“倒T”蓋梁及伸縮縫，實(shí)際梁長(zhǎng)32.6 m，計(jì)算跨徑為31.6 m。小箱梁采用變截面設(shè)計(jì)，頂板厚 20 cm，腹板厚 19～35 cm，底板厚20～30 cm。小箱梁橫斷面布置如圖12所示。采用midas Civil 2015建立小箱梁梁格模型，如圖13所示。

圖12 小箱梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖13 小箱梁梁格模型

由于此算例采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，跨中彎矩及位移值最為不利。三國(guó)汽車荷載作用下小箱梁跨中彎矩及位移值見(jiàn)表6。

表6 汽車荷載作用下小箱梁跨中彎矩及位移值

由表6可以發(fā)現(xiàn)，汽車荷載作用下，根據(jù)美國(guó)規(guī)范算出的跨中彎矩及位移值最小，印尼規(guī)范最大，中國(guó)規(guī)范居中。這是因?yàn)楦鶕?jù)印尼規(guī)范得出的汽車荷載值較大，且車道數(shù)較多。美國(guó)規(guī)范中，車道荷載里的均布荷載以及車輛荷載均較中國(guó)規(guī)范小，且車道荷載中沒(méi)有集中荷載。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）同等橋梁寬度下，中國(guó)規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較少，印尼規(guī)范劃分的名義車道數(shù)較多，美國(guó)規(guī)范居中。

（2）相對(duì)于中國(guó)規(guī)范，美國(guó)規(guī)范沒(méi)有根據(jù)公路等級(jí)將汽車荷載分級(jí)，其設(shè)計(jì)車輛荷載又分為卡車荷載和雙軸荷載兩種形式，設(shè)計(jì)車輛荷載和設(shè)計(jì)車道荷載要根據(jù)情況進(jìn)行疊加，以得到最大的荷載效應(yīng)。

（3）中國(guó)規(guī)范、美國(guó)規(guī)范均通過(guò)多車道橫向折減系數(shù)來(lái)考慮多個(gè)加載車道同時(shí)處于最不利荷載狀況的可能性，而印尼規(guī)范對(duì)于橫向多車道折減問(wèn)題則采用了給定布載方式的形式。

（4）美國(guó)規(guī)范的沖擊系數(shù)依據(jù)的是大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，經(jīng)受了實(shí)踐考驗(yàn)；中國(guó)規(guī)范由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理加經(jīng)驗(yàn)修正得到?jīng)_擊系數(shù)，理論性更強(qiáng)；印尼規(guī)范根據(jù)跨徑確定沖擊系數(shù)，較為粗糙。

（5）汽車荷載作用下，根據(jù)美國(guó)規(guī)范算出的跨中彎矩及位移值最小，印尼規(guī)范最大，中國(guó)規(guī)范居中。