淺談城市橋梁設(shè)計汽車荷載標準

徐紅衛(wèi)

CJJ 77-98城市橋梁設(shè)計荷載標準(以下簡稱城市98荷載標準)由建設(shè)部城市建設(shè)研究院負責(zé)主編,同濟大學(xué)參編,于 1998年6月以建標[1998]125號文批準為強制性行業(yè)標準,自1998年12月1日起施行。城市98荷載標準真實地反映了城市橋梁承載特點,按車道均布荷載加集中力的布載模式,也與國際橋梁設(shè)計先進技術(shù)接軌。城市98荷載標準在施行10年后,中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建標[2008]104號文自2008年10月1日廢止了城市98荷載標準,但并未明確目前我國城市橋梁設(shè)計荷載應(yīng)采用的標準。規(guī)范是橋梁設(shè)計的依據(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)計壽命以及工程造價。城市98荷載標準的取消使目前城市橋梁設(shè)計荷載取值變?yōu)闊o據(jù)可依。本文分析了目前城市橋梁實際汽車荷載的特點,對比了城市98荷載標準和JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(以下簡稱公路04規(guī)范),以及參考國外橋梁設(shè)計荷載規(guī)范,提出目前階段城市橋梁設(shè)計荷載的取值標準,并對制定中的城市橋梁設(shè)計通用規(guī)范提出建議。

1 目前城市橋梁汽車荷載的特點

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較少。

因此雖然車輛運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。

2 城市98荷載標準與公路04規(guī)范汽車荷載比較

2.1 城市98荷載標準與公路04規(guī)范在制定車輛荷載標準時采用的方法

公路04規(guī)范在制定公路橋涵汽車荷載時,主要根據(jù)交通量長期觀測資料選取幾個省幾條比較典型的道路,設(shè)點實地觀測,采取了6萬多輛機動車的動態(tài)數(shù)據(jù),包括車重、各軸重、軸距、車速和車輛通過測點的時刻(即車間距),同時測得車輛在自然堵塞狀況下的相關(guān)數(shù)據(jù)。對經(jīng)整理的車輛荷載的各項數(shù)據(jù),運用數(shù)理統(tǒng)計方法,確定一般運行狀態(tài)和密集運行狀態(tài)時設(shè)計基準期的最大值分布及其參數(shù)。計算車輛荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)值,對其計算結(jié)果進行統(tǒng)計分析,得出設(shè)計基準期內(nèi)各類車輛荷載效應(yīng)的概率分布及其統(tǒng)計參數(shù)。在此基礎(chǔ)上通過對89規(guī)范的校準,參考國外成熟的汽車荷載計算模式,制定出相應(yīng)規(guī)定。

城市98荷載標準制定橋梁汽車荷載時,主要是結(jié)合國內(nèi)的實際情況,直接采用了國外成熟、可靠并且實用的制定荷載的方法。通過計算、分析比較幾個國外有影響的橋梁設(shè)計荷載標準,最終選用了更符合中國國情、并有實測資料為基礎(chǔ)的加拿大安大略省公路橋梁設(shè)計規(guī)范中有關(guān)汽車荷載的規(guī)定,同時分析并吸取了一部分其他國家橋梁設(shè)計荷載的成熟規(guī)定,編制確定我國的城市橋梁設(shè)計荷載標準。

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

2.2 城市98荷載標準與公路04規(guī)范計算參數(shù)比較

2.2.1 汽車沖擊力

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

2.2.2 汽車制動力

對于汽車制動力的計算方式,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)計算加載車道為同向的兩條以上時,各自對汽車荷載制動力的標準值有不同規(guī)定。

2.3 城市98荷載標準與公路04規(guī)范荷載效應(yīng)值比較

關(guān)于城市98荷載標準與公路04規(guī)范荷載效應(yīng)值,國內(nèi)已有多篇文章進行分析比較,并得到一些公認的結(jié)果。對跨徑2 m～80 m的簡支鉸接板梁結(jié)構(gòu),根據(jù)荷載效應(yīng)值計算結(jié)果,跨徑小于30 m的橋梁采用城市98荷載標準安全度更高,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)值計算結(jié)果表明:跨徑較小時城市98荷載標準計算的最大彎矩比公路 04規(guī)范大,跨徑較大時,反之[5]。根據(jù)以上的計算分析結(jié)果,對于小跨徑橋梁,城市98荷載標準更安全,而對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)。同時通過比較還表明:城—A級與公路—Ⅰ級可近似為一個級別的荷載形式,城—B級與公路—Ⅱ級可近似為另一個級別的荷載形式[5]。

3 國外橋梁荷載規(guī)范

各國橋梁荷載標準相差懸殊,橫向分布系數(shù),沖擊的計算公式與方法也各異。無論是從計算圖式的復(fù)雜性還是絕對計算數(shù)值方面,我國規(guī)范均處于折中狀態(tài),但在計算系數(shù)方面,我國規(guī)范的規(guī)定相對較簡單。在橋梁的內(nèi)力計算上以 L=50 m兩片簡支主梁為例?；钶d引起的內(nèi)力,如以美國規(guī)范中最大活載計算的跨中彎矩為100%,德國規(guī)范可達186%,英法規(guī)范可達298%。而按城市98荷載標準的城—A,城—B荷載算出的結(jié)果比美國AASHTO荷載標準算出的結(jié)果約大50%[2]。各國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)在各個國家規(guī)范中處于中等水平。

4 結(jié)論與建議

目前我國集裝箱運輸發(fā)展很快而且噸位日趨增大,在確定城市橋梁車輛荷載標準時應(yīng)考慮汽車有增長趨勢,而且我國城市中車輛型號眾多,進口、國產(chǎn)都有,車型與車重趨向于眾多化、重型化及國際化的方向發(fā)展。

考慮到城市98荷載標準與公路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)前車載的實際情況和未來橋梁設(shè)計荷載不斷增大的發(fā)展趨勢,建議在新的《城市橋梁設(shè)計通用規(guī)范》出臺之前,城市橋梁設(shè)計荷載采用現(xiàn)行的公路04規(guī)范的橋梁設(shè)計荷載,同時用城市98荷載標準規(guī)定的荷載進行復(fù)核,計算結(jié)果兩者取其不利者控制設(shè)計。

對新的《城市橋梁設(shè)計通用規(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荷載標準兼容。2)應(yīng)考慮目前中國經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀,超載、超重較嚴重,車道荷載與車輛荷載均建議加重。3)建議在全國范圍內(nèi)選擇具有代表性的城市橋梁,對其現(xiàn)狀進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,編制既符合我國現(xiàn)代城市的實際情況,又能達到國際先進技術(shù)水平的荷載標準。4)原城市98荷載標準車道荷載在橋梁跨徑20 m處有不銜接現(xiàn)象,建議完善,同時建議對跨徑大于150 m的城市荷載標準進行專門研究。5)城市橋梁結(jié)構(gòu)較公路橋梁復(fù)雜,沖擊系數(shù)計算較復(fù)雜,建議研究。

[1]徐 建,陳 斌.重慶地區(qū)公路橋梁車輛荷載軸重調(diào)查研究[J].山西建筑,2009,35(7):293-294.

[2]JTG D60-2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3]CJJ 77-98,城市橋梁設(shè)計荷載標準[S].

[4]李凈一,朱文榮,于立新.公路和城市橋梁設(shè)計汽車荷載的對比分析[J].浙江交通科技,2006(4):89-92.

[5]李 勇.城市橋梁與公路橋梁設(shè)計荷載標準對比[J].交通標準化,2008(14):157-160.