淺談城市橋梁設計汽車荷載標準

徐紅衛

CJJ 77-98城市橋梁設計荷載標準(以下簡稱城市98荷載標準)由建設部城市建設研究院負責主編,同濟大學參編,于 1998年6月以建標[1998]125號文批準為強制性行業標準,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,也與國際橋梁設計先進技術接軌。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建設部建標[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計荷載應采用的標準。規范是橋梁設計的依據,而其中規定的荷載取值和加載方式則直接影響所建橋梁的構件尺寸、通行能力、預期設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計荷載取值變為無據可依。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公路橋涵設計通用規范(以下簡稱公路04規范),以及參考國外橋梁設計荷載規范,提出目前階段城市橋梁設計荷載的取值標準,并對制定中的城市橋梁設計通用規范提出建議。

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,因此荷載沖擊效應要比公路橋梁小。3)現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往往比公路橋梁擁擠,因此車道的折減系數應與公路橋梁有別。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,也要經過公路橋梁,但由于城市內部交通的特殊性,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規范汽車荷載比較

2.1 城市98荷載標準與公路04規范在制定車輛荷載標準時采用的方法

公路04規范在制定公路橋涵汽車荷載時,主要根據交通量長期觀測資料選取幾個省幾條比較典型的道路,設點實地觀測,采取了6萬多輛機動車的動態數據,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數據。對經整理的車輛荷載的各項數據,運用數理統計方法,確定一般運行狀態和密集運行狀態時設計基準期的最大值分布及其參數。計算車輛荷載作用于橋梁結構產生的效應值,對其計算結果進行統計分析,得出設計基準期內各類車輛荷載效應的概率分布及其統計參數。在此基礎上通過對89規范的校準,參考國外成熟的汽車荷載計算模式,制定出相應規定。

城市98荷載標準制定橋梁汽車荷載時,主要是結合國內的實際情況,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的加拿大安大略省公路橋梁設計規范中有關汽車荷載的規定,同時分析并吸取了一部分其他國家橋梁設計荷載的成熟規定,編制確定我國的城市橋梁設計荷載標準。

從研究制定方法上看,兩種橋梁設計規范在制定設計荷載的方法上有所區別,公路橋涵設計荷載的制定建立在交通量調查和統計的基礎上,城市橋梁設計荷載則主要是通過分析和選用國外規范中的成熟規定來制定。但兩種規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規范計算參數比較

2.2.1 汽車沖擊力

城市98荷載標準有關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規范采用機構基頻計算汽車沖擊力,其大小與結構質量、跨徑和剛度均有關。相對來說,公路04規范計算汽車沖擊系數更為合理,因為汽車的沖擊力與多種因數有關: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系。對比兩者大小,公路04規范計算汽車沖擊系數比城市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定。

2.3 城市98荷載標準與公路04規范荷載效應值比較

關于城市98荷載標準與公路04規范荷載效應值,國內已有多篇文章進行分析比較,并得到一些公認的結果。對跨徑2 m～80 m的簡支鉸接板梁結構,根據荷載效應值計算結果,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規范荷載安全度更高[4]。而對于8 m～30 m預應力混凝土連續箱梁,荷載效應值計算結果表明:跨徑較小時城市98荷載標準計算的最大彎矩比公路 04規范大,跨徑較大時,反之[5]。根據以上的計算分析結果,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規范更可靠。從總體上看,其差值均在10%以內。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 國外橋梁荷載規范

各國橋梁荷載標準相差懸殊,橫向分布系數,沖擊的計算公式與方法也各異。無論是從計算圖式的復雜性還是絕對計算數值方面,我國規范均處于折中狀態,但在計算系數方面,我國規范的規定相對較簡單。在橋梁的內力計算上以 L=50 m兩片簡支主梁為例。活載引起的內力,如以美國規范中最大活載計算的跨中彎矩為100%,德國規范可達186%,英法規范可達298%。而按城市98荷載標準的城—A,城—B荷載算出的結果比美國AASHTO荷載標準算出的結果約大50%[2]。各國汽車荷載作用下橋梁的內力差別很大,當然與結構形式和跨徑緊密相關,但總體來說,我國規范中規定的汽車荷載在橋涵結構上引起的各種響應在各個國家規范中處于中等水平。

4 結論與建議

目前我國集裝箱運輸發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、國產都有,車型與車重趨向于眾多化、重型化及國際化的方向發展。

考慮到城市98荷載標準與公路04規范產生的荷載效應值大小存在一定的差異,本著確保結構安全的原則,兼顧當前車載的實際情況和未來橋梁設計荷載不斷增大的發展趨勢,建議在新的《城市橋梁設計通用規范》出臺之前,城市橋梁設計荷載采用現行的公路04規范的橋梁設計荷載,同時用城市98荷載標準規定的荷載進行復核,計算結果兩者取其不利者控制設計。

對新的《城市橋梁設計通用規范》編制的建議:1)新規范應與現行公路04規范和原城市98荷載標準兼容。2)應考慮目前中國經濟發展現狀,超載、超重較嚴重,車道荷載與車輛荷載均建議加重。3)建議在全國范圍內選擇具有代表性的城市橋梁,對其現狀進行較為全面而徹底的調查研究,以便充分掌握城市橋梁的荷載分布規律,編制既符合我國現代城市的實際情況,又能達到國際先進技術水平的荷載標準。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)城市橋梁結構較公路橋梁復雜,沖擊系數計算較復雜,建議研究。

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

[2]JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[3]CJJ 77-98,城市橋梁設計荷載標準[S].

[4]李凈一,朱文榮,于立新.公路和城市橋梁設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計荷載標準對比[J].交通標準化,2008(14):157-160.