公路橋梁設(shè)計荷載及其組合形式研究

王云龍

摘要：作為公路工程的重要樞紐，橋梁在其中占據(jù)了十分重要的位置。荷載作用是橋梁在設(shè)計階段需要考慮的關(guān)鍵問題，而車輛荷載又是在設(shè)計荷載中的關(guān)鍵，會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生出重要的作用。而目前在我國運輸需求激增，汽車工業(yè)也隨之在迅猛發(fā)展，在這個過程中經(jīng)常會出現(xiàn)車輛超載的現(xiàn)象，使得重車壓垮橋梁的事故頻發(fā)。到目前為止，在我國有相當(dāng)大一部分的在役橋梁都僅僅只是按照舊版的規(guī)范進行設(shè)計的，舊版規(guī)范與現(xiàn)如今相距較遠，使得實際的運營車輛與舊版的規(guī)范之間存在了較為明顯的差異，所以超載車輛也就會嚴(yán)重的威脅到橋梁的安全。

關(guān)鍵詞：公路橋梁;設(shè)計荷載;基本理論;組合形式

引言

道路車流量的日益增大對公路橋梁結(jié)構(gòu)性能提出了更高的要求。受超載、重載等因素的影響，加之材料性能的退化，橋梁結(jié)構(gòu)的總體性能會隨時間的延長而下降，此時加固作業(yè)顯得尤為必要性。橋梁在設(shè)計過程中需要考慮的重要因素就包括了荷載方面，其中橋梁所受到的荷載較為復(fù)雜，而且荷載對橋梁的影響也相對更大。

1橋梁設(shè)計荷載的基本理論

1.1隨機過程理論

所謂的隨機過程理論也就指的是隨機產(chǎn)生的現(xiàn)象表現(xiàn)出規(guī)律的變化特征，對產(chǎn)生的隨機現(xiàn)象動態(tài)特性進行研究的理論，換而言之，隨機過程理論就是對對隨機產(chǎn)生的現(xiàn)象的概率與時間的關(guān)系進行研究。隨機過程理論會分別從隨機變量的概率分布、參數(shù)估計、假設(shè)檢驗三個方面對其研究，對于隨機變量的概率分布主要是應(yīng)用了高斯分布和對數(shù)正態(tài)分布兩種類型。

1.2車輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值基本理論

車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值基本理論主要包括了基礎(chǔ)期、重現(xiàn)期以及荷載標(biāo)準(zhǔn)值幾個方面?；A(chǔ)期的荷載標(biāo)準(zhǔn)指的是在橋梁的設(shè)計階段，綜合的考慮到了結(jié)構(gòu)的可靠度、使用壽命、時間等多個方面最終所得到的結(jié)構(gòu)的可靠度數(shù)值。但是在橋梁的基準(zhǔn)期之內(nèi)，荷載值也并非是一成不變的，而是會有上下的浮動變化的。在設(shè)計的過程中為了能夠?qū)υO(shè)計模型進行簡化，會選擇一個代表值來代替每項荷載，有代表值而換算出的其他各種代表值，就是重現(xiàn)期的荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3車輛荷載效應(yīng)計算理論

影響線和橫向分布系數(shù)的計算共同組成了車輛荷載效應(yīng)邊住址的計算理論。橋梁由于動荷載的作用會引發(fā)荷載作用點的變化，從而也會使得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生變化。在橋梁設(shè)計的過程中通常會將內(nèi)力的最大值作為橋梁的設(shè)計依據(jù)。反應(yīng)內(nèi)力隨移動荷載變化規(guī)律的圖形就是影響線，計算影響線的主要手段就是有限元。在進行影響線的計算過程中，首要條件是規(guī)定出一個單位并確定出其指向，繪制的圖像需要能夠反映出車輛荷載隨結(jié)構(gòu)的變化情況。所謂的荷載橫向分布就是通過轉(zhuǎn)化，將復(fù)雜的空間問題變位簡單的平面問題，能夠?qū)τ嬎氵^程進行顯著的優(yōu)化，大大降低計算難度。

2橋梁靜態(tài)試驗與結(jié)構(gòu)性能分析

2.1靜態(tài)試驗

2.1.1加載位置與加載工況

為合理確定加載位置與加載工況，根據(jù)橋梁的實際情況，選定合適的加載車輛，進行邊梁1/2截面抵抗最大正彎矩與抗彎剛度的偏心加載試驗。

2.1.2試驗荷載的分級方法

在確定結(jié)構(gòu)截面最大內(nèi)力或位移后，將其劃分為多個級別（通常設(shè)置為4～5級），階段性地組織荷載試驗。對于時間或其他方面受限的情況，將分級量減少至3級。該橋梁的1/2截面偏心加載工作，分6級有序地施加;對于該截面的對稱加載工況，則劃分為4個等級。

2.1.3停止加載的條件界定

隨加載試驗進程的推進，結(jié)構(gòu)變位逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，在滿足此條件后，可組織下一階段的荷載施加作業(yè)。若試驗中出現(xiàn)以下情況則停止加載：（1）實測應(yīng)力達到或超過理論計算值;（2）實測點向下變形量超過規(guī)范值;（3）在加載過程中，裂縫發(fā)生擴大（例如長度、寬度等參數(shù)發(fā)生大幅度的增加）情況，或在該階段出現(xiàn)新的裂縫且縫寬超過允許值;（4）在加載過程中，橋梁的向下?lián)隙葘崪y值超過理論計算值，或其對應(yīng)的撓度曲線分布特性明顯偏離設(shè)計情況。

2.2橋梁靜載試驗結(jié)果分析

2.2.1總體評價

靜載試驗結(jié)果與設(shè)計要求保持一致，意味著加載試驗可以有效反映控制截面的性能特點，試驗方法可行，試驗結(jié)果可靠。

2.2.2橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)分析

綜合考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)變、撓度、裂縫狀況，客觀地評價結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。（1）橋梁承載力。本橋梁試驗中，考慮滿載條件，1/2截面撓度測點校驗系數(shù)為0.88～0.91，1/2截面應(yīng)變測點校驗系數(shù)均值為0.32～0.73，均未超過小于1.00的要求，另外各點的校驗值均能夠穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，說明橋梁結(jié)構(gòu)的安全儲備較好，能夠滿足要求。（2）相對殘余撓度和應(yīng)變。根據(jù)要求，主要測點的殘余應(yīng)變、撓度不可超過0.20。從實際試驗情況來看，經(jīng)過卸載操作后，確定最大撓度測點，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)處的相對殘余撓度均值在0.19～0.27范圍內(nèi)，相對殘余應(yīng)變均值為0.05～0.21，對比分析可知，其能夠滿足使用要求。

3荷載分類及其組合形式

3.1車輛荷載和沖擊力

車輛荷載由兩部分所組成，其一為車輛引發(fā)的荷載作用，其二為車道荷載。車道荷載是針對橋梁整體而言的，但是車輛荷載僅僅發(fā)生在橋梁結(jié)構(gòu)的局部位置。車輛荷載與車道荷載兩者并不能進行相互的疊加作用。兩者進行相比，車輛荷載作用的計算比車道荷載的計算要更為復(fù)雜，在計算的過程中通常會應(yīng)用隨機計算理論、車輛荷載可靠度理論、車輛荷載效應(yīng)計算理論，首先計算出車輛荷載的橫向影響線，根據(jù)影響線從而找出最為不利的位置、最后計算出荷載的橫向分布系數(shù)與最大荷載。對于車輛的沖擊力作用，其計算依據(jù)主要就是規(guī)范，沖擊力的大小等于車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值與車輛沖擊系數(shù)的乘積。

3.2溫度荷載

影響溫度的主要因素包括了季節(jié)和日照，因此溫度荷載的大小是會不斷變化的，其主要也就是隨著季節(jié)以及日照的變化而進行浮動。對于季節(jié)性的溫差其主要的查詢手段就是等溫線圖，但是還需要根據(jù)實際的情況進行進一步的修正，通常就是以50年的最小溫度來進行調(diào)整。除此之外還應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程所在區(qū)域的高度進行修正。日照強度會引起溫度的變化，對橋梁各個梯度的溫度產(chǎn)生影響，梯度的變化一方面會受到橋面類型的影響，另一方面還會受到鋪裝類型的影響。

3.3公路橋梁設(shè)計荷載的組合形式

公路橋梁荷載的組合形式通常被分為了5個大類，其中第一種的組合形式為永久荷載加基本可變荷載，該荷載組合方式最為基本也最為原始。第二種組合方式是第一種組合方式的進一步延伸，是在第一種組合方式上加入了其他因素所導(dǎo)致的可變荷載;第三種組合方式與第二種組合方式有相似之處，均是在第一種組合方式的延伸，不同之處在于此處增加的是偶然荷載;第四種組合方式是在施工驗算中增加了由于施工原因而導(dǎo)致的附加荷載，其中主要包括了結(jié)構(gòu)自重、施工人員和機械、模板支架等方面。

結(jié)束語

綜上，文章針對公路橋梁設(shè)計荷載的相關(guān)問題展開了論述，闡述了隨機過程理論、車輛荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值基本理論、車輛荷載效應(yīng)計算理論幾種橋梁設(shè)計荷載的基本理論，分析車輛荷載和沖擊力、風(fēng)荷載、溫度荷載、離心荷載幾種橋梁中常見的荷載，并介紹了4類常見的荷載組合形式。

參考文獻

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