重型車輛荷載作用下橋梁結構安全分析研究

韓波

（山西省交通科學研究院,山西 太原 030006）

重型車輛荷載作用下橋梁結構安全分析研究

韓波

（山西省交通科學研究院,山西 太原 030006）

重型車輛雖然在整個交通車輛中占有比重較小，但對于特殊交通要求的橋梁，不能只采用現行規范要求荷載等級進行計算，需要按照實際的車列荷載進行加載計算。由于重型車輛荷載的實際汽車荷載效應比規范計算標準值偏大，對于重載交通地區，需要獲取實際通行車輛的車重、軸重、軸距、車頭間距、車速等參數，對橋梁結構進行整體和局部驗算。

重型車輛荷載；汽車荷載；荷載效應

1　概述

橋梁上行駛的車輛種類繁多，有汽車、平板掛車、履帶車等；同一類車輛，例如汽車，也有許多不同型號和載重等級，而且隨著經濟和交通的快速發展，出現了集裝箱運輸車等載重量越來越大的車輛。同時橋梁結構承受的車輛荷載，具有不確定性、隨機性和隨時間變化的特性，難以在設計階段準確考慮。對于重載交通地區，無論是新建橋梁設計階段或是舊橋維修加固階段，如果能夠較準確知道實際的汽車荷載對其結構產生的效應，并與規范值進行對比，這對橋梁結構安全分析具有非常重要的意義。

2　重型車輛荷載效應分析

2.1我國公路橋梁汽車荷載簡介

20世紀80年代末至90年代初，在進行基于概率極限狀態設計規范的基礎研究時，交通部曾委托公路規劃設計院組織力量進行了汽車荷載特性研究[1]。經整理統計分析求得設計基準期內最大值的概率分布和統計參數，在考慮與原規范銜接的基礎上，將現行規范的汽車荷載標準及其取值模擬為均布荷載加集中荷載的模式?，F行規范的公路Ⅰ級與原規范汽車-超20級基本相當，公路Ⅱ級與汽車-20級基本相當[2]。

交通運輸部2015年發布的《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）規定，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。標準車輛荷載軸重和軸距如圖1所示（圖中軸重單位為kN，軸距單位為m）。

圖1　標準車輛荷載（55t）軸距、軸重分布

2.2重型車輛荷載效應分析及與規范標準計算值進行比較

為了適應交通發展的需要，要求橋梁設計規范和汽車荷載標準不斷更新，并逐步提高。橋梁設計人員需要在合理考慮超載因素的情況下進行橋梁設計，提高橋梁的可靠度。

我國公路橋梁在全國范圍內采用一本通用規范，汽車標準荷載是在全國范圍內汽車荷載參數設計的分布模型，這就造成現有重型運營汽車荷載與規范標準汽車荷載不符。因此研究重載車輛設計荷載標準是橋梁設計者緊迫的任務，即制定適應不同重載交通地區橋梁設計的標準汽車荷載，為橋梁結構安全分析提供依據。下面是以一個具體實例進行分析、比較。

某風力發電站的超重設備運輸車輛須經過一座橋梁，平板掛車運輸車輛荷載由運輸設備和運載車輛組成，質量達120 t。該座橋梁為預應力混凝土連續梁，由于平板掛車運輸車輛總重量及軸載密度已超過《公路橋涵設計通用規范》的汽車荷載等級（公路-Ⅰ級），屬于重載。需要根據實際公路交通組成的汽車荷載模式進行結構整體和局部驗算。

汽車荷載模式通常有虛擬車道荷載模式（例如由均布荷載和集中荷載組成的公路-Ⅰ級汽車荷載）和由標準車組成的車列荷載模式（例如已廢止的標準JTJ 021—1989的汽車-超20荷載）[3]。

本橋橋面凈寬7.5 m，按照規范要求布置2列車道，車輛荷載的橫橋向考慮兩種情況，第一種是按虛擬車道荷載模式加載，第二種是按實際的車列荷載模式加載，并進行驗算和對比。

（1）2列公路-Ⅰ級，如圖2所示。

圖2　2列公路-Ⅰ級（單位：m）

（2）1列重車+1列公路-Ⅰ級，如圖3所示。

圖3　1列重車+1列公路-Ⅰ級（單位：m）

橫向折減系數、縱向折減系數及沖擊系數等其他相關規定參照《公路橋涵設計通用規范》規定執行。

該橋跨徑及結構形式如圖4所示。

圖4　橋梁跨徑布置形式

本橋為三跨連續梁，且跨徑組成具有代表性：

（1）采用《公路橋涵設計通用規范》計算值。

（2）采用實際車列荷載布載分析，分別對邊中跨彎矩、邊支點負彎矩、邊支點剪力，見表1～表3。

表1　三跨連續梁截面跨中正彎矩規范計算標準值與實際汽車荷載效應比較　kN·m

表2　三跨連續梁截面支點負彎矩規范計算標準值與實際汽車荷載效應比較　kN·m

表3　三跨連續梁截面剪力規范計算標準值與實際汽車荷載效應比較　kN

從以上的表中可以看出，三跨連續梁關鍵截面實際汽車荷載效應偏大于規范計算標準，重型車輛荷載產生的荷載效應是公路-Ⅰ級車道荷載產生彎矩效應的接近1.1倍。對于橋梁設計者來說，必須重視并且在實際工作中進行研究。

3　重型車輛荷載效應和規范標準計算值差異的原因分析

影響橋梁汽車荷載效應的因素眾多，包括車頭間距、車重(軸重)分布以及車流量等[4]。這里著重分析重車車重(軸重)和車流量這兩個因素對橋梁結構車輛荷載效應的影響。

3.1重車車重（軸重）分布影響

該車重為120 t，該車的軸距和軸重分配情況如圖5所示（圖中軸重單位為kN，軸距單位為m），這些重車對中小跨徑橋梁的汽車荷載效應起著控制作用。

圖5　重型車輛（120 t）軸距、軸重分布

利用本次需要通行的一輛重車 (車重為120 t)對三等跨連續梁進行了加載計算，對于三跨連續梁（20 m+32 m+20 m）關鍵截面汽車荷載效應而言，實際重車效應計算值要大于現行規范計算值。

3.2車流量影響

日交通流量的增加會對橋梁結構汽車荷載效應產生多方面的影響，例如疲勞、多車道重車橫向相遇問題等。多車道重車橫向相遇問題，會導致橫向多個車道的影響線最大區域內同時出現不利車輛荷載的可能性會增大，往往會影響或控制中小跨徑橋梁的汽車荷載效應。

通過重型車輛實際汽車荷載效應和規范計算值的比較，旨在對現行橋涵設計規范中規定的車輛荷載模型重新進行評估。但要確定適用于某一地區交通流的汽車荷載需要在統計的基礎上，進行隨機過程分析，假定隨機過程取100年（即設計基準期），得出設計基準期內汽車車隊荷載效應最大值分布的統計參數和概率分布函數，荷載效應按95%的分位取值。對于某些有特殊交通要求的橋梁，為了進行結構安全驗算，不能簡單地按照《公路橋涵設計通用規范》取值，需要按實際的車列荷載進行加載計算。

4　對于重型車輛荷載交通地區橋梁設計的建議

根據重型車輛荷載交通地區的交通狀況和橋梁結構受力特點，對重載交通地區橋梁設計提出以下建議：

4.1橋梁結構體系

對于承受重型車輛荷載交通的梁式橋，由于荷載內力較大，相對于同一種橫斷面形式的橋梁來說，不同結構體系受力也不同。設置合理的橋梁結構體系，能夠減小梁體的最大彎矩值，提高橋梁的經濟性能。在進行橋梁設計時，根據橋梁所處環境的實際情況，盡量采用多跨連續體系橋梁，減小橋梁的內力值。

4.2構造方面

橫向聯系能夠增強橋梁的整體受力性能，在設計時盡量采用橫向聯系較好的結構，根據內力分布圖，進行橫向受力分配，達到整體受力的效果。

4.3安全系數

由于汽車荷載長期看來是變化的，為了避免日后承載力不足的問題，可以進行近期的荷載增長趨勢調查，給一個合理的增長系數，使其在建成短期內不出現承載力不足的問題。

我國國土面積較大，交通荷載狀況復雜，所以對于我國一本規范通行全國的狀況亟待解決。從長遠的經濟效益和安全方面講，針對各個荷載不同地區，制定適用于本地區的汽車荷載標準，才能更好解決承載力不足及超載的問題。

5　結　語

隨著我國經濟和大型裝備制造業的快速發展，大型重荷載車輛在公路上的行駛呈增長趨勢。通常，重荷載車輛的總重和軸重均明顯大于橋梁的設計荷載等級，因此其對橋梁結構的影響應該引起重視。本文通過重荷載與現行規范理論分析對比，研究了重型車輛荷載對梁橋的結構影響。

（1）對于重型車輛荷載交通地區，需要獲取實際通行車輛的車重、軸重、軸距、車頭間距、車速等參數，將為研究橋梁實際車輛荷載分布規律及其效應分析提供了很好的數據資源。

（2）重型車輛荷載橋梁結構汽車荷載效應計算值要大于《公路橋涵設計通用規范》計算值，需要選取合理的計算模式準確模擬實際荷載，根據實際的車輛組成，采用車列荷載布載，以進行正確的橋梁結構整體和局部驗算。

[1]“公路橋梁車輛荷載研究”課題組.公路橋梁車輛荷載研究[J].公路，1997，42(3)：8-12．

[2]周勇軍，梁玉照，賀栓海.公路橋梁汽車荷載標準值對比分析[J].建筑科學與工程學報，2010，27（3）:101-108.

[3]成立濤，劉寧.重載交通條件下榆佳高速汽車荷載研究 [J].公路，2013，58(3)：63-67.

[4]JTG D60—2015，公路橋涵設計通用規范[S]．

U44

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1009-7716（2016）10-0086-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.026

2016-07-11

韓波（1985-），男，陜西西安人，工程師，從事橋梁工程工作。