錢亞萍 焦夢(mèng)瑩

摘 要：本文以中美巴公路橋梁工程設(shè)計(jì)規(guī)范為研究視角，對(duì)比分析三國橋梁工程設(shè)計(jì)的荷載效應(yīng)。分析發(fā)現(xiàn)：橋梁恒載效應(yīng)未存在較大差異;國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)車輛荷載作用制定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)性能上優(yōu)于美巴設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：荷載效應(yīng);橋梁設(shè)計(jì);規(guī)范對(duì)比

0 引言

美國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展在國際上首屈一指，其交通運(yùn)輸是提升美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力追趕美國的過程中，橋梁工程設(shè)計(jì)規(guī)范問題逐漸凸顯。國內(nèi)現(xiàn)階段以一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略為核心，極大程度地影響著巴基斯坦。因此，對(duì)比中美巴橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，具有研究意義。

1 工程建設(shè)基礎(chǔ)信息

以某高速公路為研究視角，公路全長39.3公里，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為：設(shè)計(jì)行駛速度為每小時(shí)100千米，雙向四車道通行標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度參數(shù)設(shè)計(jì)為24.5米。在橋梁設(shè)計(jì)期間，以國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為核心，同時(shí)考量美標(biāo)、巴基斯坦的荷載設(shè)計(jì)規(guī)定，以此完成荷載對(duì)比分析。

2 對(duì)比中美橋梁工程的設(shè)計(jì)方法

2.1 中國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范

中國在橋梁工程設(shè)計(jì)規(guī)范中，是以概率論為核心，以極限狀態(tài)作為設(shè)計(jì)方向。關(guān)系式①y0S≤R。公式中字母表達(dá)含義：y0對(duì)應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵參數(shù)，依據(jù)公路橋涵安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，一級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安全等級(jí)取值為1.1，二級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安全等級(jí)取值為1.0，三級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安全等級(jí)取值為0.9;S表示交通工具對(duì)橋梁工程產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，作為組合設(shè)計(jì)參數(shù);R表示橋梁工程各部分構(gòu)件的承受能力設(shè)計(jì)參數(shù)[1]。

2.2 美國橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范

美國在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，是以橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)理論為設(shè)計(jì)方向，設(shè)計(jì)思路為“荷載對(duì)應(yīng)抗力系統(tǒng)”。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系式為②Wn≤φRn。關(guān)系式中字母表達(dá)含義：Wn表示的是橋梁結(jié)構(gòu)承受交通工具的荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)組合值;R0表示結(jié)構(gòu)抗力的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，取決于材料自身強(qiáng)度屬性;φ表示的是橋梁結(jié)構(gòu)在對(duì)抗車輛荷載時(shí)，自身性能將會(huì)發(fā)生折減，此參數(shù)為折減系數(shù)，取值范圍[0.7，0.9]。

3 確定橋梁工程梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

在研究項(xiàng)目中，路基寬度參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為24.5米，具體包括兩組車道，每組車道的設(shè)計(jì)米數(shù)為24.5/2=12.25米，每組車道設(shè)計(jì)內(nèi)容為：左、右側(cè)護(hù)欄寬度均為0.5米、行車道寬度為11.25米。單幅橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了6組簡(jiǎn)支模型梁結(jié)構(gòu)，每組梁結(jié)構(gòu)的間距參數(shù)設(shè)計(jì)為2米，濕接縫參數(shù)設(shè)計(jì)為0.39米，三種簡(jiǎn)支模型的具體設(shè)計(jì)方案如下：設(shè)橋梁工程的跨徑參數(shù)為L、跨徑計(jì)算初始值LO、高度h、截面積a、截面慣性矩i。

（1）方案一：L=25米時(shí)，LO=24米、h=1.7米、a=0.776 8平方米，i=0.269 m4。

（2）方案二：L=30米時(shí)，LO=28.91米、h=2.01米、a=0.842 8平方米，i=0.417 3 m4。

（3）方案三：跨L=40米時(shí)，LO=38.82米、h=2.52米、積a=1.090 7平方米，i=0.923 7 m4。

4 中美巴橋梁工程荷載效應(yīng)對(duì)比分析

4.1 恒載

恒載參數(shù)包括兩類參數(shù)，其一為梁結(jié)構(gòu)自身重量，其二為橋面鋪裝、護(hù)欄等附加裝置的質(zhì)量。橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)混凝土材料使用標(biāo)準(zhǔn)為26 kN/m3。

4.2 車輛荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

4.2.1 中國橋梁工程荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)對(duì)于車輛荷載設(shè)計(jì)，給予了兩個(gè)等級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。車輛荷載參數(shù)的組成，包括車道、車輛兩個(gè)方面的荷載組成。車道荷載參數(shù)包括：均布、集中兩類荷載參數(shù)。公路一級(jí)車道，在計(jì)算其荷載均布設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，參數(shù)設(shè)計(jì)為q=10.5 kN/m。集中荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)p在選擇時(shí)，假設(shè)橋梁跨徑參數(shù)為Lo，應(yīng)符合如下規(guī)定：

（1）Lo<5米，p=270 kN。

（2）Lo>50米，p=360 kN。

（3）Lo取值[5，50]米，p值應(yīng)采取直線內(nèi)插方式完成計(jì)算。

（4）交通工程剪力效應(yīng)=集中荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)×1.2。

4.2.2 美國橋梁工程荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

美國關(guān)于路橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，確定了車輛荷載的設(shè)計(jì)等級(jí)為HL-93，荷載組合包括：貨車、雙軸設(shè)計(jì);車道荷載?；钶d效應(yīng)取值時(shí)，參考雙軸、車道、火車等荷載情況。大型交通工具前軸自身重量的設(shè)計(jì)方法為35 kN，兩個(gè)后軸質(zhì)量取值為145 kN，兩個(gè)后軸間距取值為[4.3，9.0]米。在橋橫向荷載設(shè)計(jì)期間，車道荷載均分布在寬度為3米的區(qū)域內(nèi)，不計(jì)入動(dòng)荷載沖擊情況產(chǎn)生的影響，車道數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)為W/3.6，W計(jì)算形式參考公式②。

4.2.3 巴基斯坦橋梁工程荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

巴基斯坦橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于車輛荷載給予了設(shè)計(jì)規(guī)定，此項(xiàng)荷載包括兩個(gè)等級(jí)，車輛荷載級(jí)別為一個(gè)A，軍事坦克荷載級(jí)別為兩個(gè)A。結(jié)合工程項(xiàng)目的建設(shè)需求，以軍事坦克為計(jì)算方向，完成工程荷載性能驗(yàn)算。以履帶荷載作為荷載施加形式，確定履帶軸自身重量為700 kN，兩輛坦克在陸續(xù)進(jìn)入橋梁工程時(shí)，間距應(yīng)大于91.6米。軍事坦克在完全通過橋梁工程時(shí)，應(yīng)當(dāng)開展交通管制，嚴(yán)禁其他車輛通行，保障橋梁水平方向僅有一輛坦克通行。

4.3 對(duì)比分析中美巴三國橋梁工程結(jié)構(gòu)的折減系數(shù)

中美巴三國路橋工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在2個(gè)車道水平方向的折減系數(shù)均取值為1.0。

4.4 對(duì)比分析中美巴三國橋梁結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)

如表1所示，為荷載沖擊系數(shù)的取值對(duì)比結(jié)果，由此發(fā)現(xiàn)，三國針對(duì)沖擊系數(shù)選擇時(shí)，巴基斯坦具有統(tǒng)一性，美國系數(shù)選擇較高，中國系數(shù)選擇保留了三位小數(shù)，相比美巴更為精確[2]。

4.5 對(duì)比分析中美巴三國橋梁工程的車輛荷載設(shè)計(jì)方法

如表2所示，在三種跨徑長度設(shè)計(jì)方案中，美巴橋梁工程跨徑支點(diǎn)最大剪力值F具有相似性，展現(xiàn)出中國標(biāo)準(zhǔn)的荷載優(yōu)勢(shì)：25 m時(shí)，美國F=281.2 kN，巴基斯坦F=287.2，中國橋梁工程標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)值達(dá)到了457.88，相比美國高出62.83%，相比巴斯斯坦高出59.43%;同時(shí)，在30米、40米時(shí)，中國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同樣高出美巴設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)至少50%。

經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：中國橋梁工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，相比美巴橋梁工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更能保障路橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在大型交通工具通行時(shí)，能夠保障更大荷載通行，以此奠定了國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)的先進(jìn)地位;中國路橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有助于提升國內(nèi)交通運(yùn)輸行業(yè)有序發(fā)展。

5 結(jié)論

綜上所述，以某高速橋梁為研究視角，對(duì)比中美巴三國的橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分別從荷載效應(yīng)、車輛荷載作用系數(shù)設(shè)計(jì)等方面完成對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn)：橋梁恒載效應(yīng)不具有較大差異，分項(xiàng)系數(shù)處于相似狀態(tài)，國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取值為1.2，美巴設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取值為1.25;國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)車輛荷載作用制定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)性能上高于美巴，由此確定了國內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的領(lǐng)先地位。

參考文獻(xiàn)：

[1]交通運(yùn)輸部關(guān)于《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T2231-01—2020）的解讀[J].城市道橋與防洪，2020（10）：222-223.

[2]黃僑，關(guān)健，梁程亮.中美歐公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范汽車荷載及作用效應(yīng)對(duì)比研究[J].公路交通科技，2020，37（7）：62-71.