中美印橋梁設計規范汽車荷載比較

白午龍

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國“一帶一路”倡議的不斷推進，設計咨詢行業也隨之拓展到更多地區。不同區域內橋梁所承載的汽車類型不盡相同，各地區使用的橋梁設計規范中對汽車荷載的規定也有所區別。本文以印尼雅加達收費公路項目為背景，研究印尼橋梁設計規范中涉及汽車荷載的相關內容。考慮到印尼地區經常借鑒美國規范，本文著重介紹并對比中國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015[1]，以下簡稱中國規范）、美國AASHTO LRFD Bridge Design Specifications（5th Edition 2012，以下簡稱美國規范）和印尼Bridge Loading Standard（SNI T-02-2005[2]，以下簡稱印尼規范）中的汽車荷載各項規定，包括名義車道劃分、車道荷載、車輛荷載、沖擊系數、折減系數、布載方式等方面，并結合工程實例說明三國設計規范中汽車荷載的差異。

1 名義車道的劃分

中美印三國汽車工業發展、道路交通安全要求等水平各不相同，因此三國規范中對名義車道的規定也有差異。但在不同的橋梁結構設計規范中，設計車道數的取值都同橋梁寬度密切相關。針對不同的橋梁寬度，各國規范對名義車道的劃分見表1。

表1 中美印三國名義車道比較 m

由表1可知，同等橋梁寬度下，中國規范劃分的名義車道數較少，印尼規范劃分的名義車道數較多，美國規范居中。例如當橋梁寬度W為20 m，車輛雙向行駛時，中國規范定義車道數為4，美國規范為5，印尼規范為6。

2 車道荷載與車輛荷載

2.1 中國規范相關條文

公路橋涵設計時，汽車荷載分為公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級兩個等級，由車道荷載和車輛荷載組成。橋梁結構的整體計算采用車道荷載；橋梁結構的局部加載、涵洞、橋臺和擋土墻土壓力等的計算采用車輛荷載。車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。

車道荷載由均布荷載和集中荷載組成，計算圖示如圖1所示。公路-Ⅰ級車道荷載均布荷載標準值為qk=10.5 kN/m，集中荷載標準值Pk取值見表2。公路-Ⅱ級車道荷載的均布荷載標準值qk和集中荷載標準值Pk按公路-Ⅱ級車道荷載的0.75倍采用。

圖1 中國規范車道荷載

表2 集中荷載Pk取值

車輛荷載的立面、平面尺寸如圖2、圖3所示。公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級汽車荷載采用相同的車輛荷載標準值。

圖2 中國規范車輛荷載立面尺寸

圖3 中國規范車輛荷載平面尺寸

2.2 美國規范相關條文

美國規范中的汽車荷載分類與中國規范相似，分為設計車道荷載、設計車輛荷載兩種方式。不同之處在于美國規范沒有根據公路等級將汽車荷載分級，其設計車輛荷載又分為卡車荷載和雙軸荷載兩種形式，設計車輛荷載和設計車道荷載要根據情況進行疊加，以得到最大的荷載效應。

美國規范中，車道荷載為均布荷載，標準值為9.3 N/mm，在橫向均勻分布在3 m寬的范圍內，如圖4所示。車道荷載不考慮沖擊系數。設計卡車荷載有三個軸，前軸軸重35 kN，后兩個軸軸重均為145 kN，如圖5所示。軸距為4.3 m和4.3～9 m，后兩軸軸距應該根據計算情況取最不利的軸距。雙軸荷載則由兩個集中荷載組成，大小為110 kN，間距為1.2 m，如圖6所示。在設計時，應該取均布荷載+卡車荷載，以及均布荷載+雙軸荷載這兩種組合形式中的最大值作為設計活載。

圖4 美國規范均布荷載

圖5 美國規范設計卡車特征

圖6 美國規范設計雙軸縱向布置

2.3 印尼規范相關條文

印尼規范中的汽車荷載包括“D”車道荷載和“T”車輛荷載。其中，“D”車道荷載包括面荷載（UDL）和線荷載（KEL），如圖7所示。根據印尼規范，線荷載（KEL）為 49 kN/m，面荷載（UDL）的 q值（kPa）與跨徑L有關，如下式所示：

圖7 印尼規范車道荷載示意圖

UDL荷載集度如圖8所示。

圖8 UDL荷載集度

“T”車輛荷載中的車輛重量分布如圖9所示，兩車軸間距在4～9 m變化以產生最大的荷載效應。車輛荷載要考慮沖擊系數。橋梁全長范圍內只能施加一輛“T”車輛荷載作為設計汽車荷載。

圖9 印尼規范“T”車輛荷載

3 汽車荷載折減

在公路橋梁活載效應計算過程中，通常將空間結構分析轉化為平面桿系結構以達到簡化計算的目的，對結構上所計算截面的某項荷載效應的影響線按最不利位置進行加載[3]。中國規范、美國規范均通過多車道橫向折減系數來考慮多個加載車道同時處于最不利荷載狀況的可能性，見表3。而印尼規范對于橫向多車道折減問題則采用了給定布載方式的形式。

表3 中美規范橫向折減系數比較

印尼規范中車道5.5 m范圍內橫向不折減，對寬度大于5.5 m的橋面，每車道2.75 m范圍內不折減，其余范圍內為50%（見圖10），其中n1為車道數。

圖10 印尼規范“D”車道荷載的橫向分布

此外，中國規范規定了縱向折減。大跨徑橋梁上的汽車荷載應考慮縱向折減。當橋梁計算跨徑大于150 m時，應按表4規定的縱向折減系數進行折減。當為多跨連續結構時，整個結構應按最大的計算跨徑考慮汽車荷載效應的縱向折減。美國規范和印尼規范對汽車荷載沒有縱向折減的規定。

表4 中國規范縱向折減系數

4 沖擊系數

汽車的沖擊系數是汽車過橋時對橋梁結構產生的豎向動力增大系數。沖擊作用有車體的振動和橋跨結構自身的變形和振動。研究表明，影響車輛動力效應的因素主要包括橋面的粗糙度、車輛的動力特性、橋梁的動力特性、車輛運行速度及車輛數量等。然而由于影響動力效應的因素的測定及分析模型的不確定性，各國對于沖擊系數的考慮差異較大，見表5。

表5 動力荷載允許值

圖11 印尼規范動荷載增計系數

美國規范把構件類別及計算狀態作為確定沖擊效應主要考慮因素；接縫是橋梁的薄弱部位，在荷載的反復作用下失效的概率較大，且傳力效果下降較快，美國規范在接縫處動力效應取值較大，有利于接縫安全，保證結構的整體性，這是合理的地方。在驗算疲勞時考慮的是荷載的長期作用，采用較小值較為合理。根據結構動力學原理，汽車的動力效應與橋梁的自振特性直接相關，自重大，整體性好，沖擊就小。中國規范把結構基頻和橋梁結構形式作為考慮因素，并在條文說明中給出了各種橋型基頻計算的解析公式。印尼規范根據橋梁跨徑確定沖擊系數，跨徑越大，結構剛度越小，沖擊效應越小。

綜上所述，美國規范的沖擊系數依據的是大量現場試驗得出的數據，經受了實踐考驗；中國規范由結構動力學原理加經驗修正得到沖擊系數，理論性更強；印尼規范根據跨徑確定沖擊系數，較為粗糙。

美國規范中的沖擊系數只施加于貨車和雙軸車輛荷載，不施加于車道荷載和人群荷載。中國規范中的沖擊系數只施加于車輛荷載，不施加于車道荷載。印尼規范中的沖擊系數施加于車道荷載及車輛荷載。

5 算例

以印尼雅加達收費公路項目為背景，該工程橋梁標準斷面布置如下：0.5 m（防撞欄桿）+12.25 m（車行道）+0.8 m（中央防撞欄桿）+12.25 m（車行道）+0.5 m（防撞欄桿）=26.3 m。小箱梁采用上海市小箱梁，底寬1.5 m，35 m梁高1.9 m，由于小箱梁梁寬較寬，橫橋向布置6片小箱梁即可滿足受力要求。35 m跨徑扣除“倒T”蓋梁及伸縮縫，實際梁長32.6 m，計算跨徑為31.6 m。小箱梁采用變截面設計，頂板厚 20 cm，腹板厚 19～35 cm，底板厚20～30 cm。小箱梁橫斷面布置如圖12所示。采用midas Civil 2015建立小箱梁梁格模型，如圖13所示。

圖12 小箱梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖13 小箱梁梁格模型

由于此算例采用簡支結構，跨中彎矩及位移值最為不利。三國汽車荷載作用下小箱梁跨中彎矩及位移值見表6。

表6 汽車荷載作用下小箱梁跨中彎矩及位移值

由表6可以發現，汽車荷載作用下，根據美國規范算出的跨中彎矩及位移值最小，印尼規范最大，中國規范居中。這是因為根據印尼規范得出的汽車荷載值較大，且車道數較多。美國規范中，車道荷載里的均布荷載以及車輛荷載均較中國規范小，且車道荷載中沒有集中荷載。

6 結語

（1）同等橋梁寬度下，中國規范劃分的名義車道數較少，印尼規范劃分的名義車道數較多，美國規范居中。

（2）相對于中國規范，美國規范沒有根據公路等級將汽車荷載分級，其設計車輛荷載又分為卡車荷載和雙軸荷載兩種形式，設計車輛荷載和設計車道荷載要根據情況進行疊加，以得到最大的荷載效應。

（3）中國規范、美國規范均通過多車道橫向折減系數來考慮多個加載車道同時處于最不利荷載狀況的可能性，而印尼規范對于橫向多車道折減問題則采用了給定布載方式的形式。

（4）美國規范的沖擊系數依據的是大量現場試驗得出的數據，經受了實踐考驗；中國規范由結構動力學原理加經驗修正得到沖擊系數，理論性更強；印尼規范根據跨徑確定沖擊系數，較為粗糙。

（5）汽車荷載作用下，根據美國規范算出的跨中彎矩及位移值最小，印尼規范最大，中國規范居中。