對比分析中美巴公路橋梁設計規(guī)范荷載效應

錢亞萍 焦夢瑩

摘 要：本文以中美巴公路橋梁工程設計規(guī)范為研究視角，對比分析三國橋梁工程設計的荷載效應。分析發(fā)現：橋梁恒載效應未存在較大差異;國內設計標準中，針對車輛荷載作用制定的設計標準，在結構性能上優(yōu)于美巴設計標準。

關鍵詞：荷載效應;橋梁設計;規(guī)范對比

0 引言

美國的經濟發(fā)展在國際上首屈一指，其交通運輸是提升美國經濟發(fā)展的關鍵產業(yè)。國內經濟實力追趕美國的過程中，橋梁工程設計規(guī)范問題逐漸凸顯。國內現階段以一帶一路發(fā)展戰(zhàn)略為核心，極大程度地影響著巴基斯坦。因此，對比中美巴橋梁設計規(guī)范，具有研究意義。

1 工程建設基礎信息

以某高速公路為研究視角，公路全長39.3公里，建設標準設計為：設計行駛速度為每小時100千米，雙向四車道通行標準，路基寬度參數設計為24.5米。在橋梁設計期間，以國內設計標準為核心，同時考量美標、巴基斯坦的荷載設計規(guī)定，以此完成荷載對比分析。

2 對比中美橋梁工程的設計方法

2.1 中國橋梁設計規(guī)范

中國在橋梁工程設計規(guī)范中，是以概率論為核心，以極限狀態(tài)作為設計方向。關系式①y0S≤R。公式中字母表達含義：y0對應橋梁結構體系中的關鍵參數，依據公路橋涵安全設計標準為基礎，一級設計標準安全等級取值為1.1，二級設計標準安全等級取值為1.0，三級設計標準安全等級取值為0.9;S表示交通工具對橋梁工程產生的荷載效應，作為組合設計參數;R表示橋梁工程各部分構件的承受能力設計參數[1]。

2.2 美國橋梁設計規(guī)范

美國在橋梁結構設計的標準內容，是以橋梁結構穩(wěn)定性相關理論為設計方向，設計思路為“荷載對應抗力系統(tǒng)”。設計標準關系式為②Wn≤φRn。關系式中字母表達含義：Wn表示的是橋梁結構承受交通工具的荷載效應設計組合值;R0表示結構抗力的設計標準參數，取決于材料自身強度屬性;φ表示的是橋梁結構在對抗車輛荷載時，自身性能將會發(fā)生折減，此參數為折減系數，取值范圍[0.7，0.9]。

3 確定橋梁工程梁體結構設計內容

在研究項目中，路基寬度參數設計標準為24.5米，具體包括兩組車道，每組車道的設計米數為24.5/2=12.25米，每組車道設計內容為：左、右側護欄寬度均為0.5米、行車道寬度為11.25米。單幅橋上部結構設計了6組簡支模型梁結構，每組梁結構的間距參數設計為2米，濕接縫參數設計為0.39米，三種簡支模型的具體設計方案如下：設橋梁工程的跨徑參數為L、跨徑計算初始值LO、高度h、截面積a、截面慣性矩i。

（1）方案一：L=25米時，LO=24米、h=1.7米、a=0.776 8平方米，i=0.269 m4。

（2）方案二：L=30米時，LO=28.91米、h=2.01米、a=0.842 8平方米，i=0.417 3 m4。

（3）方案三：跨L=40米時，LO=38.82米、h=2.52米、積a=1.090 7平方米，i=0.923 7 m4。

4 中美巴橋梁工程荷載效應對比分析

4.1 恒載

恒載參數包括兩類參數，其一為梁結構自身重量，其二為橋面鋪裝、護欄等附加裝置的質量。橋梁結構建設時，設計混凝土材料使用標準為26 kN/m3。

4.2 車輛荷載設計標準

4.2.1 中國橋梁工程荷載設計標準

國內對于車輛荷載設計，給予了兩個等級的設計標準。車輛荷載參數的組成，包括車道、車輛兩個方面的荷載組成。車道荷載參數包括：均布、集中兩類荷載參數。公路一級車道，在計算其荷載均布設計標準時，參數設計為q=10.5 kN/m。集中荷載設計標準參數p在選擇時，假設橋梁跨徑參數為Lo，應符合如下規(guī)定：

（1）Lo<5米，p=270 kN。

（2）Lo>50米，p=360 kN。

（3）Lo取值[5，50]米，p值應采取直線內插方式完成計算。

（4）交通工程剪力效應=集中荷載設計標準參數×1.2。

4.2.2 美國橋梁工程荷載設計標準

美國關于路橋結構設計規(guī)范中，確定了車輛荷載的設計等級為HL-93，荷載組合包括：貨車、雙軸設計;車道荷載?；钶d效應取值時，參考雙軸、車道、火車等荷載情況。大型交通工具前軸自身重量的設計方法為35 kN，兩個后軸質量取值為145 kN，兩個后軸間距取值為[4.3，9.0]米。在橋橫向荷載設計期間，車道荷載均分布在寬度為3米的區(qū)域內，不計入動荷載沖擊情況產生的影響，車道數設計參數為W/3.6，W計算形式參考公式②。

4.2.3 巴基斯坦橋梁工程荷載設計標準

巴基斯坦橋梁設計標準中，關于車輛荷載給予了設計規(guī)定，此項荷載包括兩個等級，車輛荷載級別為一個A，軍事坦克荷載級別為兩個A。結合工程項目的建設需求，以軍事坦克為計算方向，完成工程荷載性能驗算。以履帶荷載作為荷載施加形式，確定履帶軸自身重量為700 kN，兩輛坦克在陸續(xù)進入橋梁工程時，間距應大于91.6米。軍事坦克在完全通過橋梁工程時，應當開展交通管制，嚴禁其他車輛通行，保障橋梁水平方向僅有一輛坦克通行。

4.3 對比分析中美巴三國橋梁工程結構的折減系數

中美巴三國路橋工程設計標準，在2個車道水平方向的折減系數均取值為1.0。

4.4 對比分析中美巴三國橋梁結構的沖擊系數

如表1所示，為荷載沖擊系數的取值對比結果，由此發(fā)現，三國針對沖擊系數選擇時，巴基斯坦具有統(tǒng)一性，美國系數選擇較高，中國系數選擇保留了三位小數，相比美巴更為精確[2]。

4.5 對比分析中美巴三國橋梁工程的車輛荷載設計方法

如表2所示，在三種跨徑長度設計方案中，美巴橋梁工程跨徑支點最大剪力值F具有相似性，展現出中國標準的荷載優(yōu)勢：25 m時，美國F=281.2 kN，巴基斯坦F=287.2，中國橋梁工程標準的設計值達到了457.88，相比美國高出62.83%，相比巴斯斯坦高出59.43%;同時，在30米、40米時，中國設計標準，同樣高出美巴設計標準至少50%。

經對比分析發(fā)現：中國橋梁工程設計標準，相比美巴橋梁工程設計標準更能保障路橋結構穩(wěn)定性，在大型交通工具通行時，能夠保障更大荷載通行，以此奠定了國內橋梁設計的先進地位;中國路橋設計標準，有助于提升國內交通運輸行業(yè)有序發(fā)展。

5 結論

綜上所述，以某高速橋梁為研究視角，對比中美巴三國的橋梁設計標準，分別從荷載效應、車輛荷載作用系數設計等方面完成對比分析。研究發(fā)現：橋梁恒載效應不具有較大差異，分項系數處于相似狀態(tài)，國內設計標準取值為1.2，美巴設計標準取值為1.25;國內設計標準中，針對車輛荷載作用制定的設計標準，在結構性能上高于美巴，由此確定了國內橋梁結構設計的領先地位。

參考文獻：

[1]交通運輸部關于《公路橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T2231-01—2020）的解讀[J].城市道橋與防洪，2020（10）：222-223.

[2]黃僑，關健，梁程亮.中美歐公路橋梁設計規(guī)范汽車荷載及作用效應對比研究[J].公路交通科技，2020，37（7）：62-71.