沖擊系數對橋梁汽車荷載效應的影響分析

鄧 果

我國目前使用的公路與城市橋梁大部分是按JTJ 021-89公路橋涵設計通用規范的汽車設計荷載標準設計的,1997年的JTJ 001-97公路工程技術標準對設計標準作了局部修改,從1998年1月后公路橋梁按此新標準設計。從1998年12月后城市橋梁按CJJ 77-98城市橋梁荷載設計標準設計。多標準應用造成設計工作量的增加是當前有待解決的問題。同時,影響橋梁汽車荷載效應的因素有很多,除了交通流量本身的變化對其的影響外,橋梁的跨度、寬度、沖擊系數等對汽車荷載效應的影響也比較大。本文將以簡支梁橋和連續梁橋為研究對象,研究橋梁跨度、跨數、寬度和沖擊系數等對汽車荷載效應的影響。

1 沖擊系數概述

汽車的沖擊系數是汽車過橋時對橋梁結構產生的豎向動力效應的增大系數,汽車荷載的沖擊系數可表示為[1]:

其中,Ydmax為在汽車過橋時測得的效應時間歷程曲線上最大靜力效應處測得的最大靜力效應值;Yjmax為在汽車過橋時測得的效應時間歷程曲線上最大動力效應處測得的最大動力效應值。

效應值可以取最大撓度位置豎向位移的變化來描述,稱為位移沖擊系數,也可以通過控制截面的應變來計算,稱為應變沖擊系數。二者都是用來表現由于汽車的動力沖擊作用使橋梁產生的動態增量。瑞士的EMPA實驗室自1924年以來對移動荷載的沖擊系數進行了十分深入和系統的實驗研究,基于大量的實測數據指出車輛振動本質上是一種強迫共振現象,用放大譜來計算沖擊效應,即把沖擊系數定義為橋梁固有頻率的函數來代替現行的按跨度遞減的沖擊系數公式更為合理。1979年,加拿大安大略省規范(Ontario Code)率先接受了這一新概念,建立了放大譜的新規定,1982年又根據新的實測資料作了進一步的修改。在我國JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范中也改用了這一計算方法。

目前,世界各國公路橋梁設計規范對沖擊系數的計算公式多數僅以橋梁計算跨徑L作為參數,按L的遞減函數進行計算。

2 沖擊效應計算比較

2.1 國內橋梁規范中簡支梁橋汽車沖擊系數的計算方法

1)JTJ 021-89公路橋涵通用設計規范。

L≤5 m時,μ=0.30;L≥45 m 時,μ=0;5 m＜L＜45 m時,

2)JTG D60-2004公路橋涵通用設計規范。

當 f＜1.5 Hz時,μ=0.05;當 1.5 Hz≤f≤14 Hz時,μ=0.176 7lnf-0.015 7;當 f＞14 Hz時,μ=0.45。

3)CJJ 77-98城市橋梁荷載設計標準。

2.2 沖擊系數的計算結果比較

本文選用公路交通行業里常用的簡支空心板橋的標準圖,用三種沖擊系數計算方法計算了公路橋梁中6 m～25 m標準跨徑簡支空心板橋的沖擊系數,并比較了計入沖擊效應的荷載效應與不計沖擊效應的荷載效應,計算結果見表1,圖1～圖 4。

表1 三種規范簡支空心板橋沖擊系數

綜合有關文獻[6]～[9]及表1,圖1～圖 4可知,以橋梁計算跨徑L作為參數,按L的遞減函數來計算的89規范和城市橋梁荷載設計標準沖擊系數均小于按結構基頻的方法來計算的04規范,跨度越小,兩者之間的差別越大。

其中,在6 m跨時,89規范比04規范小53.6%,98標準比04規范小93.1%。在25 m跨時,89規范比04規范小46.7%,98標準比04規范小15.8%。三種規范的沖擊系數結果有隨著跨度的增大而慢慢接近的趨勢。但是,89規范的沖擊系數計算公式規定跨度大于45 m時,沖擊系數等于零,這與實際情況不相符;而04規范以結構基頻來計算沖擊系數避免了這種情況的發生。04規范汽車荷載對89規范、城市橋梁荷載設計標準中汽車荷載的效應比在計入沖擊系數之后會不同程度的提高,提高幅度在2%～19%。

3 結語

1)本文主要分析沖擊系數對橋梁汽車荷載效應的影響,為分析橋梁汽車荷載效應的影響因素提供參考,為設計人員選用一種標準進行分析計算,達到保證設計質量、提高設計效率的目的提供幫助。2)本文主要針對中小跨徑橋梁進行比較,大跨度橋梁的汽車荷載效應比較分析有待進一步的分析和研究。3)本文對汽車荷載效應進行比較時,主要采用的是89規范、04規范以及98城標中的汽車荷載模式進行分析,對國外規范采用的汽車荷載效應未進行比較計算,還需要進一步計算和研究。

[1] JTG D60-2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[2] CJJ 77-98,城市橋梁設計荷載標準[S].

[3] JTJ 021-89,公路橋涵設計通用規范[S].

[4] JTJ 001-97,公路工程技術標準[S].

[5] JTG B01-2003,公路工程技術標準[S].

[6] 鮑衛剛,張海龍,劉菊玖.關于橋梁所承受的沖擊力計算方法的研究[J].橋梁建設,2000(1):24-26.

[7] 宋一凡,賀栓海.公路橋梁沖擊系數的影響因素分析[J].西安公路交通大學學報,2001(4):47-49.

[8] 秦向杰,葛 斌.橋梁沖擊系數按結構頻率的計算研究[J].山西建筑,2007,33(10):316-317.

[9] 王海城,施尚偉.橋梁沖擊系數影響因素分析及偏差成因[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2007(10):25-28.