淺談城市橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)

徐紅衛(wèi)

CJJ 77-98城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱城市98荷載標(biāo)準(zhǔn))由建設(shè)部城市建設(shè)研究院負(fù)責(zé)主編,同濟(jì)大學(xué)參編,于 1998年6月以建標(biāo)[1998]125號(hào)文批準(zhǔn)為強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),自1998年12月1日起施行。城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)真實(shí)地反映了城市橋梁承載特點(diǎn),按車道均布荷載加集中力的布載模式,也與國(guó)際橋梁設(shè)計(jì)先進(jìn)技術(shù)接軌。城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)在施行10年后,中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建標(biāo)[2008]104號(hào)文自2008年10月1日廢止了城市98荷載標(biāo)準(zhǔn),但并未明確目前我國(guó)城市橋梁設(shè)計(jì)荷載應(yīng)采用的標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范是橋梁設(shè)計(jì)的依據(jù),而其中規(guī)定的荷載取值和加載方式則直接影響所建橋梁的構(gòu)件尺寸、通行能力、預(yù)期設(shè)計(jì)壽命以及工程造價(jià)。城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)的取消使目前城市橋梁設(shè)計(jì)荷載取值變?yōu)闊o據(jù)可依。本文分析了目前城市橋梁實(shí)際汽車荷載的特點(diǎn),對(duì)比了城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)和JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱公路04規(guī)范),以及參考國(guó)外橋梁設(shè)計(jì)荷載規(guī)范,提出目前階段城市橋梁設(shè)計(jì)荷載的取值標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)制定中的城市橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范提出建議。

1 目前城市橋梁汽車荷載的特點(diǎn)

1)城市橋梁的車輛密集程度比公路橋梁高,車輛間距非常小,車輛擁堵發(fā)生的概率非常大。2)城市橋梁的車輛通行速度都較慢,而且橋面平整度一般都較高,因此荷載沖擊效應(yīng)要比公路橋梁小。3)現(xiàn)代化大城市的人口密度很高,作用于城市橋梁上的人群荷載密集度一般也高于公路橋梁。4)城市橋梁的車輛通行狀態(tài)往往比公路橋梁擁擠,因此車道的折減系數(shù)應(yīng)與公路橋梁有別。5)同公路橋梁比,城市橋梁的重車相對(duì)較少。

因此雖然車輛運(yùn)行于城市橋梁和公路橋梁上沒有明顯的分界,很多過境車輛既要通過城市橋梁,也要經(jīng)過公路橋梁,但由于城市內(nèi)部交通的特殊性,城市橋梁荷載仍具有其自身的特點(diǎn)。

2 城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路04規(guī)范汽車荷載比較

2.1 城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路04規(guī)范在制定車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用的方法

公路04規(guī)范在制定公路橋涵汽車荷載時(shí),主要根據(jù)交通量長(zhǎng)期觀測(cè)資料選取幾個(gè)省幾條比較典型的道路,設(shè)點(diǎn)實(shí)地觀測(cè),采取了6萬(wàn)多輛機(jī)動(dòng)車的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),包括車重、各軸重、軸距、車速和車輛通過測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻(即車間距),同時(shí)測(cè)得車輛在自然堵塞狀況下的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)經(jīng)整理的車輛荷載的各項(xiàng)數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,確定一般運(yùn)行狀態(tài)和密集運(yùn)行狀態(tài)時(shí)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的最大值分布及其參數(shù)。計(jì)算車輛荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)值,對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)各類車輛荷載效應(yīng)的概率分布及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上通過對(duì)89規(guī)范的校準(zhǔn),參考國(guó)外成熟的汽車荷載計(jì)算模式,制定出相應(yīng)規(guī)定。

城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)制定橋梁汽車荷載時(shí),主要是結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況,直接采用了國(guó)外成熟、可靠并且實(shí)用的制定荷載的方法。通過計(jì)算、分析比較幾個(gè)國(guó)外有影響的橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn),最終選用了更符合中國(guó)國(guó)情、并有實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)的加拿大安大略省公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)汽車荷載的規(guī)定,同時(shí)分析并吸取了一部分其他國(guó)家橋梁設(shè)計(jì)荷載的成熟規(guī)定,編制確定我國(guó)的城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)。

從研究制定方法上看,兩種橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范在制定設(shè)計(jì)荷載的方法上有所區(qū)別,公路橋涵設(shè)計(jì)荷載的制定建立在交通量調(diào)查和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,城市橋梁設(shè)計(jì)荷載則主要是通過分析和選用國(guó)外規(guī)范中的成熟規(guī)定來制定。但兩種規(guī)范汽車荷載的計(jì)算模式都采用了均布力加集中力的模式,在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)取值上也考慮了兩種標(biāo)準(zhǔn)的一致性和兼容性。

2.2 城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路04規(guī)范計(jì)算參數(shù)比較

2.2.1 汽車沖擊力

城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)汽車沖擊力的計(jì)算近似認(rèn)為沖擊力與計(jì)算跨徑成反比,并為車道荷載和車輛荷載計(jì)算提供了不同的公式。公路04規(guī)范采用機(jī)構(gòu)基頻計(jì)算汽車沖擊力,其大小與結(jié)構(gòu)質(zhì)量、跨徑和剛度均有關(guān)。相對(duì)來說,公路04規(guī)范計(jì)算汽車沖擊系數(shù)更為合理,因?yàn)槠嚨臎_擊力與多種因數(shù)有關(guān):如橋面的不平整度、汽車速度、汽車的特性、橋梁的動(dòng)力特性及活載和恒載的比例關(guān)系。對(duì)比兩者大小,公路04規(guī)范計(jì)算汽車沖擊系數(shù)比城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小跨徑橋梁有較大的提高,大跨徑橋梁趨于接近。

2.2.2 汽車制動(dòng)力

對(duì)于汽車制動(dòng)力的計(jì)算方式,兩者規(guī)定是一致的,均采用固定值與10%的車道荷載中的較大值作為設(shè)計(jì)值。二者的主要不同之處除了車道荷載本身的大小差別外,當(dāng)計(jì)算加載車道為同向的兩條以上時(shí),各自對(duì)汽車荷載制動(dòng)力的標(biāo)準(zhǔn)值有不同規(guī)定。

2.3 城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路04規(guī)范荷載效應(yīng)值比較

關(guān)于城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路04規(guī)范荷載效應(yīng)值,國(guó)內(nèi)已有多篇文章進(jìn)行分析比較,并得到一些公認(rèn)的結(jié)果。對(duì)跨徑2 m～80 m的簡(jiǎn)支鉸接板梁結(jié)構(gòu),根據(jù)荷載效應(yīng)值計(jì)算結(jié)果,跨徑小于30 m的橋梁采用城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)安全度更高,超過30 m的橋梁采用公路04規(guī)范荷載安全度更高[4]。而對(duì)于8 m～30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,荷載效應(yīng)值計(jì)算結(jié)果表明:跨徑較小時(shí)城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的最大彎矩比公路 04規(guī)范大,跨徑較大時(shí),反之[5]。根據(jù)以上的計(jì)算分析結(jié)果,對(duì)于小跨徑橋梁,城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)更安全,而對(duì)于大跨徑橋梁則采用公路04規(guī)范更可靠。從總體上看,其差值均在10%以內(nèi)。同時(shí)通過比較還表明:城—A級(jí)與公路—Ⅰ級(jí)可近似為一個(gè)級(jí)別的荷載形式,城—B級(jí)與公路—Ⅱ級(jí)可近似為另一個(gè)級(jí)別的荷載形式[5]。

3 國(guó)外橋梁荷載規(guī)范

各國(guó)橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)相差懸殊,橫向分布系數(shù),沖擊的計(jì)算公式與方法也各異。無論是從計(jì)算圖式的復(fù)雜性還是絕對(duì)計(jì)算數(shù)值方面,我國(guó)規(guī)范均處于折中狀態(tài),但在計(jì)算系數(shù)方面,我國(guó)規(guī)范的規(guī)定相對(duì)較簡(jiǎn)單。在橋梁的內(nèi)力計(jì)算上以 L=50 m兩片簡(jiǎn)支主梁為例。活載引起的內(nèi)力,如以美國(guó)規(guī)范中最大活載計(jì)算的跨中彎矩為100%,德國(guó)規(guī)范可達(dá)186%,英法規(guī)范可達(dá)298%。而按城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)的城—A,城—B荷載算出的結(jié)果比美國(guó)AASHTO荷載標(biāo)準(zhǔn)算出的結(jié)果約大50%[2]。各國(guó)汽車荷載作用下橋梁的內(nèi)力差別很大,當(dāng)然與結(jié)構(gòu)形式和跨徑緊密相關(guān),但總體來說,我國(guó)規(guī)范中規(guī)定的汽車荷載在橋涵結(jié)構(gòu)上引起的各種響應(yīng)在各個(gè)國(guó)家規(guī)范中處于中等水平。

4 結(jié)論與建議

目前我國(guó)集裝箱運(yùn)輸發(fā)展很快而且噸位日趨增大,在確定城市橋梁車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮汽車有增長(zhǎng)趨勢(shì),而且我國(guó)城市中車輛型號(hào)眾多,進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)都有,車型與車重趨向于眾多化、重型化及國(guó)際化的方向發(fā)展。

考慮到城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)與公路04規(guī)范產(chǎn)生的荷載效應(yīng)值大小存在一定的差異,本著確保結(jié)構(gòu)安全的原則,兼顧當(dāng)前車載的實(shí)際情況和未來橋梁設(shè)計(jì)荷載不斷增大的發(fā)展趨勢(shì),建議在新的《城市橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》出臺(tái)之前,城市橋梁設(shè)計(jì)荷載采用現(xiàn)行的公路04規(guī)范的橋梁設(shè)計(jì)荷載,同時(shí)用城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的荷載進(jìn)行復(fù)核,計(jì)算結(jié)果兩者取其不利者控制設(shè)計(jì)。

對(duì)新的《城市橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》編制的建議:1)新規(guī)范應(yīng)與現(xiàn)行公路04規(guī)范和原城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)兼容。2)應(yīng)考慮目前中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀,超載、超重較嚴(yán)重,車道荷載與車輛荷載均建議加重。3)建議在全國(guó)范圍內(nèi)選擇具有代表性的城市橋梁,對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行較為全面而徹底的調(diào)查研究,以便充分掌握城市橋梁的荷載分布規(guī)律,編制既符合我國(guó)現(xiàn)代城市的實(shí)際情況,又能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的荷載標(biāo)準(zhǔn)。4)原城市98荷載標(biāo)準(zhǔn)車道荷載在橋梁跨徑20 m處有不銜接現(xiàn)象,建議完善,同時(shí)建議對(duì)跨徑大于150 m的城市荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專門研究。5)城市橋梁結(jié)構(gòu)較公路橋梁復(fù)雜,沖擊系數(shù)計(jì)算較復(fù)雜,建議研究。

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[5]李 勇.城市橋梁與公路橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2008(14):157-160.