各國設計規范中水平向汽車荷載的比較

李 佶,王洪龍,劉旭鍇

(天津市市政工程設計研究院,天津市300051)

各國設計規范中水平向汽車荷載的比較

李 佶,王洪龍,劉旭鍇

(天津市市政工程設計研究院,天津市300051)

隨著我國對外建設投資規模的逐年增大和國際市場的一體化趨勢,我國設計單位遇到了前所未有的開拓國際設計-施工總承包市場的機遇。面對國際建筑市場帶來的機遇與挑戰,需要掌握國際上流行的各國常用設計規范,如:英國傳統規范British standard、法國傳統規范Fascicule,和近年來歐洲標準化委員會制定并力推的歐洲規范Eurocode,以滿足國際市場業主的各類要求。現重點介紹上述三種規范中關于水平向汽車荷載的規定,并對其進行了綜合總結和比較分析,便于橋梁工程師在面對國際工程設計時進行參考應用。

建筑國際市場機遇;國外設計規范;水平向汽車荷載;比較

0　引言

當前,中國土木工程界正在大踏步地邁向國際市場,并迎風逐浪勇于做弄潮兒,參與到如:亞洲、非洲和拉丁美洲等國的國際項目的競爭大潮中。在中國企業參與國際分工程度不斷加深的同時,面對著國際化帶來的問題和挑戰。作為設計單位,面對的第一個、也是最重要的一個問題就是業主要求使用國外規范的問題。在目前我國企業涉及的國際市場中,2005年前國際招標時常用規范主要為英國和法國規范。例如針對橋梁部分設計,英國傳統規范為British standard系列和法國傳統規范Fascicule系列。但隨著歐盟統一化的進程,近年來亞洲、非洲、拉丁美洲也有著越來越多地使用歐洲規范Eurocode代替原有規范的傾向。因此,需要對英國傳統規范British standard、法國傳統規范ascicule和歐洲規范Eurocode這三種規范分別學習掌握,以滿足國際市場的競爭需要。

橋梁結構在其壽命周期內所經歷的最主要的活載是汽車荷載。我國隨著近年來經濟水平提高和國內基礎建設大發展,積累了大量工程實踐經驗,完善了自己的設計標準。但由于各國經濟水平、交通狀況、技術習慣等方面千差萬別,造成各國規范中汽車荷載的差別最大。隨著國際經濟交流的愈趨頻繁,對于橋梁設計者而言,有必要了解各國的規范中關于汽車荷載的不同規定。下面就詳細介紹一下英國傳統規范British standard、法國傳統規范Fascicule和歐洲規范Eurocode中水平向汽車荷載的定義,主要分為汽車制動力荷載、車輛側滑荷載、汽車離心力荷載三個部分。由于篇幅所限,在此只介紹對于大跨度橋梁的最不利荷載,即縱向最不利荷載-車道類汽車荷載產生的水平向荷載。

1　各國設計規范中水平向汽車荷載的比較分析

1.1汽車制動力荷載

1.1.1英國傳統規范British standard

英國傳統規范British standard中規定,HA類(車道類)汽車制動力荷載為8 kN/ml的均布荷載,加載于寬度為一名義車道寬、長為X的某區域上,加上250 kN的集中荷載,荷載總值應小于等于750 kN,方向均為沿橋向。

1.1.2法國傳統規范Fascicule

法國傳統規范Fascicule規定,A類(車道類)汽車荷載的制動力為×A類荷載總重,其中S為負載面積,單位m2。

1.1.3歐洲規范Eurocode

歐洲規范Eurocode規定汽車制動力荷載Qlk,依照公式Q1k= 0.6×αQ1×(2Q1k) +0.1×αq1×q1k× w1×L 計算,方向沿橋向。其中αQ1、Q1k、αq1、q1k按照荷載模型1的定義取值。在橋梁總寬度內,Qlk標準值的取值范圍是αQ1180≤Q1k≤900 kN。

1.2車輛側滑荷載

1.2.1英國傳統規范British standard

英國傳統規范British standard中規定車輛側滑產生的偶然荷載,無論直橋、彎橋的情況下均為單點荷載,只作用于一個名義車道上,荷載值為300 kN,方向為橋梁平面內任意。

1.2.2歐洲規范Eurocode

歐洲規范Eurocode規定車輛側滑產生的荷載應為汽車制動跑偏或側滑引起的橫向力。車輛側滑產生的荷載方向為橫橋向,數值等于上式計算的縱向汽車制動力荷載Qlk的25%。

1.3汽車離心力荷載

1.3.1英國傳統規范British standard

英國傳統規范British standard中規定名義汽車離心力荷載僅在橋梁水平半徑小于1 000 m時考慮,其值為(單位kN),該荷載為點荷載,方向沿該點橋梁曲線半徑方向。

1.3.2法國傳統規范Fascicule

法國傳統規范Fascicule中規定汽車離心力荷載僅在曲線段橋梁情況下基于Bc類卡車荷載來計算,方向沿該點橋梁曲線半徑方向。其離心力具體數值為系數乘以自身重量(每軸)。該系數在半徑小于等于400 m時為:,在半徑大于400 m時為:。該荷載還需乘以B類汽車荷載的動力系數。

1.3.3歐洲規范Eurocode

歐洲規范Eurocode規定汽車離心力荷載是一種橫向力,方向沿橋梁曲線半徑方向。當橋梁曲線半徑小于200 m時,汽車離心力為:Qtk= 0.2×Qv;當半徑在200 m～1 500 m之間時,汽車離心力為: Qtk= 40×Qv/r;當半徑大于1 500 m,不考慮汽車離心力效應。其中豎向荷載總和為:Qv=∑αQ1× (2Q1k),αQ1、Q1k按照豎向荷載模型1中的定義取值。

2　三種規范與中國規范的計算實例比較

2.1項目背景

我國在文萊達魯薩蘭國PMB島跨海大橋的項目的投標計算中,分別應用了中國、歐洲、法國、英國四種不同規范。具體項目背景如下:連接文萊本土和PMB島之間的跨海橋梁部分總長2 680 m,橋面寬23.6 m,為雙向4車道,每個車道寬3.65 m,兩邊帶3 m的硬路肩,中間有2m的分隔帶,兩側有0.5 m寬的防撞護欄。設計車速100 km/h。

大部分橋梁采用每聯4跨,每跨60 m的典型跨徑布置。其上部結構采用等截面預應力連續箱梁的結構形式,每聯設一個制動墩,制動墩高22 m。下部結構采用墩柱+樁基礎的結構形式。

標準橫斷面如圖1所示。

圖1　文萊PMB島跨海大橋橫斷面圖

在這里,選取曲線段橋梁(半徑550 m)中典型跨徑布置-每聯4跨,每跨60m的預應力連續箱梁作為模型,分別按照上述四種規范計算水平向汽車荷載。

2.2四種規范中水平向汽車荷載標準值計算結果比較

2.2.1汽車制動力荷載標準值

現采用各國規范中最不利的豎向汽車荷載,并且按照單向最大加載車道數,計算出各國規范中汽車制動力荷載標準值的最大值,方向均為沿橋向,具體結果如表1所列。

表1　各規范汽車制動力荷載標準值一覽表

2.2.2車輛側滑荷載標準值

中法兩國規范沒有對車輛側滑荷載做出規定。對于該荷載,英國規范規定方向為橋梁平面內任意方向,歐洲規范規定方向為橫橋向,具體結果如表2所列。

表2　各規范車輛側滑荷載標準值一覽表

2.2.3汽車離心力荷載標準值

四種規范均根據橋梁曲線半徑來計算汽車離心力荷載,考慮該橋雙向行駛的情況,具體結果如表3所列。

表3　各規范汽車離心力荷載標準值一覽表

2.3四種規范中水平向汽車荷載在荷載組合中計算結果比較

汽車荷載從不單獨存在,只在荷載組合中與其它荷載組合來影響結構。下面看看各國規范中的極限承載能力組合和正常使用組合中的汽車荷載效應。在此,去取墩柱底部的彎矩和剪力進行比較(彎矩最大值處)。

2.3.1極限承載力組合

2.3.1.1單項效應

在極限承載力基本組合中,中國規范汽車荷載分項系數為1.1～1.4,法國規范為1.07～1.5,歐洲規范為1.35,英國規范為1.25(除離心力分項系數為1.5)。其單項效應的其所結果如表4～表6所列。

表4　極限承載力組合下各規范汽車制動力的彎矩及剪力效應一覽表

表5　極限承載力組合下各規范車輛側滑的彎矩及剪力效應一覽表

表6　極限承載力組合下各規范汽車離心力彎矩及剪力效應一覽表

2.3.1.2組合效應

對于上述三種水平向汽車荷載,各國規范分別對其組合方式做如下規定:

英、法兩國規范規定水平向汽車荷載不能互相組合使用,中國規范規定制動力和離心力可按各自標準值的70%組合使用,歐洲規范規定制動力與側滑力可按各自的標準值組合使用(見表7)。

表7　極限承載力組合下各規范水平向汽車荷載的彎矩及剪力效應一覽表

對此,可以發現,承載能力極限組合下的單項彎矩和剪力效應,除歐洲規范中的汽車制動力效應偏大外,四種規范效應基本相近。同樣,歐洲規范的組合效應也比中國規范大。與之相應,歐洲規范承載力組合的控制標準也比其他規范大。以該工程C50混凝土為例,各國規范中混凝土抗壓設計值分別為:中國規范22.4 MPa;法國規范22.7 MPa;英國22.3 MPa;歐洲規范26.7 MPa。

2.3.2正常使用極限組合

2.3.2.1單項效應

現選取各國規范中汽車荷載分項系數最大的正常使用組合類型:中國規范汽車荷載分項系數為0.7,法國規范為1.2,歐洲規范為1.0,英國規范為1。其單項效應的具體結果如表8～表10所列。

表8　正常使用極限組合下各規范汽車制動力的彎矩及剪力效應一覽表

表9　正常使用極限組合下各規范車輛側滑的彎矩及剪力效應一覽表

表10　正常使用極限組合下各規范汽車離心力的彎矩及剪力效應一覽表

2.3.2.2組合效應

同上述極限承載力組合中的組合方式,各國規范在正常使用組合中的組合效應如表11所列。

表11　正常使用極限組合下各規范水平向汽車荷載的彎矩及剪力效應一覽表

根據結果,中國規范在正常使用組合下的單項和組合效應與三種國外規范相比都偏小,但需考慮到四種規范的控制標準不同。仍以該工程C50混凝土為例,中國規范短期組合允許拉應力為1.32 MPa,但法國、英國、歐洲規范的允許值分別為2.7 MPa,2.55 MPa和3.51 MPa。由于組合控制標準存在差異,正常使用極限組合下中國與國外規范組合效應差別也是可以理解的。

2.4四種規范中汽車水平向荷載的理論分析比較

2.4.1汽車制動力荷載

中國規范與法國規范都采用豎向汽車單向行駛滿載的重量乘以水平系數的定義方式,而歐洲規范與英國規范的采用與豎向汽車荷載無關的獨立定義方式,從實際出發,汽車制動力近似于車與橋面的滑動摩擦力,因此豎向汽車滿載重量乘以水平系數的定義方式更接于實際情況,以該工程為例,與豎向汽車荷載無關的獨立定義方式計算得出的荷載標準值偏大,更為不利。

2.4.2車輛側滑荷載

中法兩國規范沒有對車輛側滑荷載做出規定。歐洲規范采用與制動力荷載相關的定義方式,英國規范采用與豎向荷載及橋梁長度無關的獨立定義方式,以該工程為例,兩種定義方式荷載標準值相似。

2.4.3汽車離心力荷載

僅中國規范規定離心力荷載與路線設計速度有關。考慮實際情況,汽車離心力近似于車在曲線運動下的慣性力=mV2/R,因此從公式表面上推斷中國規范更貼近實際。但根據該工程實例計算,四種規范的離心力荷載標準值非常近似,由此推斷可能其它規范已經將路線設計速度融入計算公式中(路線設計速度受曲線半徑的影響)。此外,除英國規范采用與豎向汽車荷載無關的獨立定義方式,其余規范均采用離心力系數乘以車輛荷載來計算。以該工程為例,與豎向汽車荷載無關的獨立定義方式計算得出的荷載標準值稍大,更為不利。

四種規范均采用分段定義的方式,根據橋梁曲線半徑來計算汽車離心力荷載。除法國規范沒有明確規定半徑大于某值時不需考慮汽車離心力荷載外,其余規范都規定了半徑豁免計算值:中國規范是250 m,英國規范是1 000 m,歐洲規范是500 m。由此可見對于曲線橋梁,國外規范豁免計算標準更嚴格。

2.4.4水平向汽車荷載組合方式

英法兩國規范規定水平向汽車荷載不能相互組合,只能與豎向荷載組合。而中國規范規定汽車制動力可以和汽車離心力按各自標準值的70%組合,歐洲規范規定汽車制動力可以和車輛側滑荷載按各自標準值組合。根據該工程實例,歐洲規范組合后效應最為不利。

3　結語

中國規范沒有定義車輛側滑荷載。因此在進行國外工程設計時,應按照當地要求使用相應的國外規范,并注意與其它水平向荷載進行組合。

對于汽車離心力荷載,中國規范的半徑豁免計算值偏小(250 m),國外規范半徑豁免計算值都在1 000 m以上。由此可見對于曲線橋梁,國外規范豁免計算標準更嚴格。因此,在進行國外曲線橋梁工程設計時,應按照相應規范和當地習慣做法進行精細設計,不能簡單地使用國內常用的半徑豁免計算值。

根據國外工程實例計算得出,在承載能力極限組合下,歐洲規范的單項和組合效應都比其他三種規范大。無獨有偶,在正常使用極限組合下,中國規范的單項和組合效應都比其他三種規范小。與此同時,可以發現在承載能力極限組合下,歐洲規范的控制標準比其他規范寬松;而在正常使用極限組合下,中國規范的控制標準比其他規范嚴格,因此殊途同歸,中外規范間效應的差別是可以理解并有其合理性的。

U412

B

1009-7716(2015)12-0057-05

2015-08-21

李佶(1982-)男,天津人,碩士,高級工程師,從事公路橋梁工程設計工作。