各國設計規(guī)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(guī)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(guī)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(zhàn),需要掌握國際上流行的各國常用設計規(guī)范,如:英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard、法國傳統(tǒng)規(guī)范Fascicule,和近年來歐洲標準化委員會制定并力推的歐洲規(guī)范Eurocode,以滿足國際市場業(yè)主的各類要求?，F(xiàn)重點介紹上述三種規(guī)范中關于水平向汽車荷載的規(guī)定,并對其進行了綜合總結(jié)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(guī)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(yè)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(zhàn)。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(yè)主要求使用國外規(guī)范的問題。在目前我國企業(yè)涉及的國際市場中,2005年前國際招標時常用規(guī)范主要為英國和法國規(guī)范。例如針對橋梁部分設計,英國傳統(tǒng)規(guī)范為British standard系列和法國傳統(tǒng)規(guī)范Fascicule系列。但隨著歐盟統(tǒng)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(guī)范Eurocode代替原有規(guī)范的傾向。因此,需要對英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard、法國傳統(tǒng)規(guī)范ascicule和歐洲規(guī)范Eurocode這三種規(guī)范分別學習掌握,以滿足國際市場的競爭需要。

橋梁結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)所經(jīng)歷的最主要的活載是汽車荷載。我國隨著近年來經(jīng)濟水平提高和國內(nèi)基礎建設大發(fā)展,積累了大量工程實踐經(jīng)驗,完善了自己的設計標準。但由于各國經(jīng)濟水平、交通狀況、技術(shù)習慣等方面千差萬別,造成各國規(guī)范中汽車荷載的差別最大。隨著國際經(jīng)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(guī)范中關于汽車荷載的不同規(guī)定。下面就詳細介紹一下英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard、法國傳統(tǒng)規(guī)范Fascicule和歐洲規(guī)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(cè)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(chǎn)生的水平向荷載。

1　各國設計規(guī)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(tǒng)規(guī)范British standard

英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard中規(guī)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(qū)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(tǒng)規(guī)范Fascicule

法國傳統(tǒng)規(guī)范Fascicule規(guī)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(guī)范Eurocode

歐洲規(guī)范Eurocode規(guī)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(nèi),Qlk標準值的取值范圍是αQ1180≤Q1k≤900 kN。

1.2車輛側(cè)滑荷載

1.2.1英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard

英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard中規(guī)定車輛側(cè)滑產(chǎn)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(nèi)任意。

1.2.2歐洲規(guī)范Eurocode

歐洲規(guī)范Eurocode規(guī)定車輛側(cè)滑產(chǎn)生的荷載應為汽車制動跑偏或側(cè)滑引起的橫向力。車輛側(cè)滑產(chǎn)生的荷載方向為橫橋向,數(shù)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(tǒng)規(guī)范British standard

英國傳統(tǒng)規(guī)范British standard中規(guī)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(tǒng)規(guī)范Fascicule

法國傳統(tǒng)規(guī)范Fascicule中規(guī)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(shù)值為系數(shù)乘以自身重量(每軸)。該系數(shù)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(shù)。

1.3.3歐洲規(guī)范Eurocode

歐洲規(guī)范Eurocode規(guī)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(guī)范與中國規(guī)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(guī)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(cè)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(lián)4跨,每跨60 m的典型跨徑布置。其上部結(jié)構(gòu)采用等截面預應力連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)形式,每聯(lián)設一個制動墩,制動墩高22 m。下部結(jié)構(gòu)采用墩柱+樁基礎的結(jié)構(gòu)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(lián)4跨,每跨60m的預應力連續(xù)箱梁作為模型,分別按照上述四種規(guī)范計算水平向汽車荷載。

2.2四種規(guī)范中水平向汽車荷載標準值計算結(jié)果比較

2.2.1汽車制動力荷載標準值

現(xiàn)采用各國規(guī)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(shù),計算出各國規(guī)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(jié)果如表1所列。

表1　各規(guī)范汽車制動力荷載標準值一覽表

2.2.2車輛側(cè)滑荷載標準值

中法兩國規(guī)范沒有對車輛側(cè)滑荷載做出規(guī)定。對于該荷載,英國規(guī)范規(guī)定方向為橋梁平面內(nèi)任意方向,歐洲規(guī)范規(guī)定方向為橫橋向,具體結(jié)果如表2所列。

表2　各規(guī)范車輛側(cè)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(guī)范均根據(jù)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(jié)果如表3所列。

表3　各規(guī)范汽車離心力荷載標準值一覽表

2.3四種規(guī)范中水平向汽車荷載在荷載組合中計算結(jié)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(jié)構(gòu)。下面看看各國規(guī)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(guī)范汽車荷載分項系數(shù)為1.1～1.4,法國規(guī)范為1.07～1.5,歐洲規(guī)范為1.35,英國規(guī)范為1.25(除離心力分項系數(shù)為1.5)。其單項效應的其所結(jié)果如表4～表6所列。

表4　極限承載力組合下各規(guī)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(guī)范車輛側(cè)滑的彎矩及剪力效應一覽表

表6　極限承載力組合下各規(guī)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(guī)范分別對其組合方式做如下規(guī)定:

英、法兩國規(guī)范規(guī)定水平向汽車荷載不能互相組合使用,中國規(guī)范規(guī)定制動力和離心力可按各自標準值的70%組合使用,歐洲規(guī)范規(guī)定制動力與側(cè)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(guī)范水平向汽車荷載的彎矩及剪力效應一覽表

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

2.3.2正常使用極限組合

2.3.2.1單項效應

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

表8　正常使用極限組合下各規(guī)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(guī)范車輛側(cè)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(guī)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(guī)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(guī)范水平向汽車荷載的彎矩及剪力效應一覽表

根據(jù)結(jié)果,中國規(guī)范在正常使用組合下的單項和組合效應與三種國外規(guī)范相比都偏小,但需考慮到四種規(guī)范的控制標準不同。仍以該工程C50混凝土為例,中國規(guī)范短期組合允許拉應力為1.32 MPa,但法國、英國、歐洲規(guī)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(guī)范組合效應差別也是可以理解的。

2.4四種規(guī)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(guī)范與法國規(guī)范都采用豎向汽車單向行駛滿載的重量乘以水平系數(shù)的定義方式,而歐洲規(guī)范與英國規(guī)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(fā),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(shù)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(cè)滑荷載

中法兩國規(guī)范沒有對車輛側(cè)滑荷載做出規(guī)定。歐洲規(guī)范采用與制動力荷載相關的定義方式,英國規(guī)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(guī)范規(guī)定離心力荷載與路線設計速度有關?？紤]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(guī)范更貼近實際。但根據(jù)該工程實例計算,四種規(guī)范的離心力荷載標準值非常近似,由此推斷可能其它規(guī)范已經(jīng)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(guī)范采用與豎向汽車荷載無關的獨立定義方式,其余規(guī)范均采用離心力系數(shù)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(guī)范均采用分段定義的方式,根據(jù)橋梁曲線半徑來計算汽車離心力荷載。除法國規(guī)范沒有明確規(guī)定半徑大于某值時不需考慮汽車離心力荷載外,其余規(guī)范都規(guī)定了半徑豁免計算值:中國規(guī)范是250 m,英國規(guī)范是1 000 m,歐洲規(guī)范是500 m。由此可見對于曲線橋梁,國外規(guī)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(guī)范規(guī)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(guī)范規(guī)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(guī)范規(guī)定汽車制動力可以和車輛側(cè)滑荷載按各自標準值組合。根據(jù)該工程實例,歐洲規(guī)范組合后效應最為不利。

3　結(jié)語

中國規(guī)范沒有定義車輛側(cè)滑荷載。因此在進行國外工程設計時,應按照當?shù)匾笫褂孟鄳膰庖?guī)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(guī)范的半徑豁免計算值偏小(250 m),國外規(guī)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(guī)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(guī)范和當?shù)亓晳T做法進行精細設計,不能簡單地使用國內(nèi)常用的半徑豁免計算值。

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

U412

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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。