中美公路橋梁規范設計汽車荷載對比

閆保民， 李松輝

(山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島266590)

?

中美公路橋梁規范設計汽車荷載對比

閆保民， 李松輝

(山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島266590)

摘要：為對我國汽車荷載標準值在目前所處世界水平有較為客觀的定位，同時，為我國將來公路橋梁新規范的修訂建立基礎。首先闡述中國新舊規范以及美國HL-93規范對設計汽車荷載的規定；其次以6、8、10、13、16、20、25、30 m不同跨徑T型截面簡支梁橋為基準，系統推算不同跨徑T型簡支梁橋在中美規范規定汽車荷載作用下的跨中彎矩和支點剪力；最后，系統對比分析荷載效應的絕對值與相對值。研究結果表明：與美國規范相比，中國規范相對來說較為保守，且不夠直觀，我國現行汽車荷載標準規范在國際上大致處于中等位置，在考慮與原規范聯系性的基礎上適當借鑒美國規范。

關鍵詞：汽車荷載標準；跨中彎矩；支點剪力；荷載效應對比；中美

汽車荷載標準是公路橋梁設計重要依據之一，是設定安全可靠的鑒定荷載標準的首要前提。橋梁的安全性、經濟性、耐久性與汽車荷載標準的合理性有著密不可分的關系，通過與國外汽車荷載標準的對比，找出自身的不足，從而予以改善。專家在研究不同國家之間荷載規范的基礎上，得知我國現行規范的汽車荷載代表值中的標準值相當于美國規范中的汽車荷載值，均是依靠不同的分項系數來滿足不同極限狀態要求[1]，且美國橋梁設計規范內容全面，在總體上運用了結構可靠度理論[2]，故比較我國與美國AASHTO FRLD中的汽車荷載代表值之間的區別，比較具有實在意義。本文將我國規范與美國HL-93規范規定的汽車荷載分別作用到不同跨徑簡支梁橋上，計算最不利布載下的跨中彎矩值、支點剪力值，經過對比分析，研究二者的區別與聯系。

1 中國汽車荷載標準

1.1 中國1985規范汽車荷載標準值

我國的1985規范汽車荷載標準采用車隊模式，其中包括汽-10級、汽-15級、汽車-20級、汽車-超20級荷載標準[3]，本文將汽-20級、汽-超20級進行對比分析，如圖1所示。采用車隊模式比較直觀、容易理解，但是對于大型且較為復雜的橋梁動態加載來說，計算效率比較低，較為復雜。

1.2 中國2004規范汽車荷載標準值

我國現行2004規范汽車荷載分為公路-I級和公路-II級兩個等級，是在公路橋梁可靠度研究的基礎上，由車道荷載和車輛荷載組成，車道荷載由均布荷載和一個集中力組成[4]。車道荷載與車輛荷載模式差別在于，前者適用于結構的整體計算，后者則適用于橋梁結構的局部加載，如涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算,且二者作用效果不可疊加。車道荷載模式如圖2所示，我國現行規范(2004規范)關于汽車荷載標準值的規定，如下表1所示。

對于公路-I級汽車荷載，汽車荷載按表1取值；對于公路-II級汽車荷載，汽車荷載標準值按公路-I級相應的0.75倍計算。

1.3 實際運營汽車荷載

公路橋梁嚴格按照已有的汽車荷載標準進行建設，而實際運營的汽車荷載與標準汽車荷載之間往往存在差距，從而影響橋梁的安全性與耐久性。根據交通部頒布的《公路養護技術規范》[5]，定期對橋梁承載能力及其使用條件進行檢測必不可少。其中，美國AASHTO的《橋梁評估手冊》中基于橋梁檢測的橋梁負荷評級方法[6]，值得我國學習與借鑒。

2 美國AASHTO汽車荷載標準

HL-93汽車荷載模型建立的背景在于對特殊車輛(如固體垃圾車和混凝土攪拌車)的研究，由于特殊車輛的重量一般大于法定荷載，且每次設計計算中單獨考慮特殊車輛的作用較為麻煩，故在與特殊車輛產生的極端荷載效應相同的原則下，建立了HL-93汽車荷載模型。該規范包括三部分：設計車輛荷載，設計車隊荷載，設計車道荷載[7]，如圖3所示。

圖3(a)中車輛荷載驅動軸(145 kN)與后軸(145 kN)間距變化范圍在4.39 m之間，從而產生極值效應。圖3(b)設計車隊荷載包括重為110 kN、間距為1.2 m的兩輛車，車輪的橫向間距1.8 m。圖3(c)中的設計車道荷載包括分布于縱向的均布荷載，橫向則假定為在3 m范圍內的均勻分布。

表1 我國2004規范關于汽車荷載代表值的規定

AASHTO規定，產生極限荷載效應的組合包括：設計車隊與設計車道荷載的組合效應；設計車輛荷載與設計車道荷載的組合效應；兩輛設計車輛(兩車間距至少15 m)效應的90%與設計車道荷載效應的90%組合，每輛汽車145 kN軸的距離取用4.3 m，用于計算處于均布荷載作用下反彎曲點之間的負彎矩和內部橋墩的反力作用。

3 中美汽車荷載沖擊系數

沖擊作用，即由于汽車荷載的動力因素，對橋梁內力或變形增大的影響。沖擊作用影響復雜，對于鋼筋混凝土橋，各國規范采用汽車荷載靜力作用效應乘以系數(Hμ)的方式來表達。

中國1985規范規定：沖擊系數μ作為跨徑的函數，當跨徑L≤5m時，μ=0.3；當L≥45m時，μ=0。中國2004規范規定：沖擊系數作為橋梁基頻的函數，當f<1.5 Hz時，μ=0.05；當1.5 Hz≤f≤14 Hz時，μ=0.176 7 lnf-0.015 7；當f>14 Hz時，μ=0.45。

結合內插法計算得出不同規范汽車荷載對不同跨徑簡支梁橋的沖擊系數，如表2所示。事實上，造成沖擊的原因主要在于三點：車輪不圓，路面不平，車輛發動機的抖動[8]。結果表明，對于中小跨徑橋梁，隨著跨徑的增大，沖擊系數呈減小趨勢，且中國比美國規范減小的速度要快，可見我國公路橋梁在路面平整度上有待于提高。關于我國規范規定的沖擊系數取值有待進一步研究與探討。

表2 中美規范不同跨徑簡支梁橋汽車荷載沖擊系取值

4 中美汽車荷載標準值效應對比

4.1 汽車荷載效應計算

根據對各跨徑簡支梁跨中彎矩及支點剪力影響線進行最不利荷載布置計算分析，并考慮沖擊系數的影響，得到荷載效應值，詳見圖4。

4.2中美規范汽車荷載效應比值

為了更加清楚直觀的對比中美規范汽車荷載效應，現將跨中彎矩效應比值、支點剪力效應比值分別以散點圖的形式表現出來，從而觀察1985規范與2004規范在美國規范(縱軸為100%)處的波動范圍，見圖5。

4.3 中美兩國荷載效應對比分析

通過最不利布載方式，初步計算出中美規范汽車荷載標準值效應，分析結果表明：

(1)從圖4中可以看出，隨著跨徑的增加，中國與美國橋梁汽車荷載在簡支梁上產生的效應值總體趨勢相同，但是荷載效應值的大小差異較為明顯，美國規范較我國1985規范的公路-I級產生的彎矩效應值較為接近，隨著橋梁跨徑的增大，跨徑為30 m時，中國比美國大約14.7%，且隨著跨徑的增大，差距逐漸增大。其中，汽-20級產生的內力最小[9]。

(2)美國規范產生的剪力荷載效應值與汽-超20級較為接近，簡支梁跨徑為8～12 m之間，美國小于后者，隨著跨徑增大，前者小于后者約4%～6%，且差距逐漸趨于穩定。我國現行2004規范中的公路-I、公路-II級相比美國，簡支梁支點剪力效應值則差距較大，前者比后者小約15%～20%，這與我國治超水平可能有較大關系[10]。

(3)從彎矩組合效應值來看，相比美國規范，中國規范相對比較安全，與公路-I級相差不大，也證明我國現行規范相對比較合理，但是從剪力組合效應值來看，美國規范與汽-超20級較為接近，但是公路-I級比美國規范小約20%～30%，可見，在汽車荷載設計值上，美國規范優于中國現行規范。

(4)已知中國公路-I級相比1985規范的汽車荷載模型來說，比較簡單，計算起來比較方便，但是相對不如1985規范、美國規范來的直觀。因為后者與汽車軸距、軸重都有關系。

5 結論

中國橋梁規范中的設計汽車荷載相比美國規范來說，比較保守。從彎矩效應值對比可知，我國公路-I級與美國規范比較接近，我國現行規范在國際上處于中等行列。從剪力效應值對比中發現，我國的汽車-超20級與HL-93規范較為接近，可知我國的1985規范以軸力形式展現的汽車荷載模型具有一定的代表性，這是我國2004規范所不具備的。

參考文獻：

[1]張喜剛.公路橋梁汽車荷載標準研究[M].北京: 人民交通出版社，2014.

[2]張 磊，金 菊，宋娃麗.中美規范公路混凝土橋梁設計的分析與比較[J].河北工業大學學報，2011，40(6)：99-102.

[3]JTJ 021-85.公路橋涵設計通用規范[S].

[4]JTG D60-2004.公路橋涵設計通用規范[S].

[5]JTG H10-2009.公路養護技術規范[S].

[6]AASHTO LRFD.The Manual for Bridge Evaluation，Second Edition[S].

[7]AASHTO LRFD.Bridge Design Specifications，SI Units Third Edition[S].

[8]張士鐸.中美兩國公路橋梁標準荷載內力計算的分析與對比[J].重慶交通學院學報，1984,10(3): 1-12.

[9]黨 棟.公路橋梁設計荷載及其組合研究[D].西安: 長安大學，2012.

[10]趙 飛.中美超重車輛認定標準對比[J].河北工程大學學報: 自然科學版,2015, 32(4)：58-62.

(責任編輯王利君)

Study of vehicle load between China and America in bridge design specification

YAN Bao-min, LI Song-hui

(Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590, China)

Abstract：In order to have a more objective position on the world level of the standard value of vehicle load in China and make a foundation for the revision of the resent standard of Highway Bridge. This paper has explained the China’s new and old code and the United States HL-93 specification for the design of vehicle loads, then take 6, 8, 10, 13,16, 20,30 meters long span bridge with T shaped beam for example, to make a systematic calculates of mid-span moment and shear force at supporting point of T-shaped beam, which is under the action of vehicle load in the Chinese and American Codes. In the end, the absolute value and the relative value of the load effect are analyzed systematically. The results show that: compared with the United States, the Chinese standard is relatively conservative and not intuitive, China’s current vehicle load standard specification in the international is roughly in the middle position, considering the contact with the original specification, the appropriate reference to the United States.

Key words：characteristic value of vehicle load; mid-span moment; shear force at supporting point; comparison of load effect；

中圖分類號：U447

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0053-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.012

作者簡介：閆保民(1989-)，女，山東菏澤人，碩士，主要從事橋梁檢測與安全性評估方面的研究。

基金項目：山東省交通科技創新計劃項目(2010Y01-2)；舊橋檢測與加固技術交通行業重點實驗室(北京)開放課題(Jqkf2011-14)

收稿日期：2015-11-20