從汽車荷載適用性角度研討公路橋梁設計的方法

劉偉

（滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北 滄州 061000）

從汽車荷載適用性角度研討公路橋梁設計的方法

劉偉

（滄州雙盛公路工程咨詢有限公司,河北 滄州 061000）

研究如何解決汽車荷載適用性問題，是公路橋梁設計的要點之一，尤其是超載超限威脅性因素的消除,更是設計工作的重點。論文通過調查，了解各種重型運輸工具的設計參數，進而以某公路橋梁工程為例，深入研討從汽車荷載適用性角度的公路橋梁設計方法。

汽車荷載;適用性;公路橋梁;設計

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.037

1 公路橋梁設計相關的重型運輸工具參數

相比于普通運輸工具，高強功率和重載的運輸車輛，是未來公路橋梁必須適應的參數對象。在20世紀50年代，重型運輸工具的功率最大值是150kW，80年代上升了290kW，大約增加2倍有余。另外，據其他預測參數，40年后的重型運輸工具功率值可能會攀升至740kW。綜合這些參數，歸納了公路橋梁設計相關的全部重型運輸工具參數，見表1。

表1 公路橋梁設計相關的重型運輸工具參數

根據以上的重型運輸工具參數，援引為公路橋梁設計的參考佐證，側面反映出重型運輸工具在公路橋梁設計中的嚴格要求，也體現出公路橋梁荷載設計的重要性。

2 公路橋梁荷載設計的案例研究

為滿足以上不同類型重型運輸工具的荷載需求，公路橋梁的設計，從汽車荷載適應性的角度出發，結合以上的公路橋

梁工程案例，深入研討該橋梁荷載設計的方法。

2.1 案例情況

某跨度60m的公路橋梁，有兩車道，梁體高度為1.6m，支架由混凝土灌注成型，其平面結構狀態見圖1。圖1案例橋梁平面結構

圖1 案例橋梁平面結構

主梁混凝土等級C40，重度26kN/m3，材料質量計入一期恒載。二期恒載則包括橋面鋪裝層和防撞墻的質量，其中橋面鋪裝層的混凝土重度為21.6kN/m3，防撞墻的混凝土重度為20kN/m3。

為掌握案例公路橋梁的汽車荷載適用性狀態，結合關于該橋梁通過車輛荷載效應的數據資料[1]，掌握橋梁在不同時間段的車流量狀態，數據信息見圖2。

圖2 橋梁實測交通分布狀態

通過的車輛中，有26%屬于客車，有11%屬于貨車，有63%屬于轎車，兩軸車輛占33%，三軸車輛占15%，四軸車輛占36%，五軸車輛占4%，六軸車輛占12%。

2.2 測點布置及建模計算

用于檢測橋梁結構動應變的測點，分別布置在橋梁結構側面墩頂兩邊的上弦桿位置，其中上游側2個，下游側2個，節點編號情況見圖3。

圖3 橋梁結構動應變測點布置

在測點布置的基礎上，開始進行建模計算，目的是掌握計入沖擊的荷載效應，并對應測點反映的應變數據，進而得出較為精準的結構內力值。關于建模計算，本次橋梁設計采用有限元模型計算方式。其中內力值的校正，其參考公式是計算內力值與校正系數的乘積[2]。在計算時，校正系數的確定難度比較大，要求借助已明確車輛類型和載重大小的貨車，沿著指定的路線，往返數次勻速經過，然后實時記錄該輛貨車所產生結構內力值。在此基礎上，加載橋梁結構的有限元模型，計算出結構的內力值，最后根據實測的結構內力值和計算的結構內力值的比值，得出校正系數。實測所用運輸工具規格見圖4。

圖4 實測所用運輸工具 (單位:m)

通過有限元分析，分別得出每個測點的計算軸力、計算應變和校正應變，計入沖擊條件下，將動應變最大值數據和應變數值比等，作為橋梁設計統計分析的對象，綜合24h的實測，完成汽車荷載效應的分布形態，為橋梁設計提供科學合理的依據。

2.3 荷載效應計算

圖5 密集運行狀態車間距

荷載效應計算，是在測點布置和建模計算的基礎上，借用動態稱重系統設備，測量出車輛運行過程中的實時數據，其中在密集運行狀態時，最能體現汽車荷載的適用性狀態。密集運行狀態下的汽車，車間距可依據有關規范及可靠度調查得出，并通過蒙特卡方式隨機生成數據[3]。通過調查檢測，案例橋梁在密集運行狀態下的汽車間隔距離，呈現對數正態分布，見圖5。

利用圖5顯示的數據，計算汽車荷載效應，其中包括正彎矩、負彎矩、支點剪力等的計算，都是以1m為步長基本單位，在影響線移動加載時，最后得出各自的最大值。對于橋梁設計來說，簡支梁計算跨徑的荷載變化，需要依次從5～70m的直線距離評價，即可得出設計荷載與實際車輛之間的差異值[4]。計算結果所體現的最終數據信息，是車流產生的最大荷載效應，超過公路-I級設計荷載的效應值，甚至是公路I-級的2倍以上，其中中小跨徑結果影響較大，需要重點注意。

2.4 針對汽車荷載的設計思路

1）應對汽車荷載沖擊力。由于橋面的不平整，或者通過車輛車輪本身的問題，會對橋梁結構產生不同程度的震動和沖擊影響，久而久之會導致結構的應力變形。對此建議針對應力現象，結合沖擊系數的大小，根據橋梁各種參數計算得出，在跨徑20m時，對應0.2的沖擊系數，在跨徑150m時，對應0.1的沖擊系數，即對計算結果做相應提高[5]。

2）應對汽車荷載離心力。根據有關的曲線理論，在半徑不大于250m時，根據設計車速和曲線半徑，計算得出離心力系數。

3）應對汽車荷載土側壓力。汽車荷載影響后，橋臺和擋土墻后面的填土受到破壞，會產生土側壓力。設計時，根據換填土層的重力密度、車輪總重力大小、換填土破壞棱體長度大小、橋臺橫向寬度、擋土墻長度等，計算出換填土層的厚度。

4）應對汽車荷載制動力。汽車在橋梁行駛時制動，對橋梁結構有滑動摩擦影響，如果橋梁行車條件不佳，汽車出于正常行駛需求，緊急剎車頻率相對會比較高。本橋梁屬于同向行駛的雙車道，設計汽車荷載是公路-Ⅱ級，要求荷載制動力的設計標準值大于180kN，原則上不超過汽車荷載總質量的10%。

3 結語

綜上所述，公路橋梁的設計中，汽車荷載適用性的考慮，是其中的一個重要前提，期間需要根據橋梁具體的結構形態需求，在橋梁布置測點并建模計算，然后根據計算得出的荷載效應大小，針對汽車的荷載沖擊力、離心力、土側壓力、制動力等，針對性完成設計工作。文章通過研究，基本明確了案例橋梁在汽車荷載適用性角度的設計方法，但考慮到不同橋梁對汽車荷載適用性要求的差異性，以及不同橋梁結構設計條件的不同，以上方法在其他橋梁工程設計應用時，務必結合具體工程的實際設計要求，予以靈活地參考借鑒。

【1】阮懷圣,馬潤平.美國公路橋梁設計規范中關于設計汽車荷載的研究[J].世界橋梁,2012(1):65-69.

【2】劉軍.汽車荷載離心力作用下彎坡連續剛構橋內力響應[J].公路與汽運,2015(6):143-146.

【3】阮欣,周軍勇,雪飛.隨機車流作用下多塔斜拉橋總體荷載響應特性[J].同濟大學學報（自然科學版）,2014(1)：25-30.

【4】周勇軍,孫婧,梁玉照.公路橋梁設計荷載基本組合的分項系數值及其效應對比[J].公路,2012(1):103-107.

【5】黃俤俤.基于汽車荷載試驗和車輛荷載調查的空腹式箱拱橋極限承載力評定[J].福建交通科技,2014(3):44-48.

Discussion on Highway Bridge Design form the Point of Motor Load Applicability

LIU Wei
(Cangzhou Shuangsheng Highway EngineeringConsulting Co.Ltd.,Cangzhou 061000,China)

Howto solve the question of the applicability vehicle load,road bridge design is one of the points,in particular the overload factorthreateningtheelimination,weneedtofocusregardeddesignwork.Throughinvestigation,tounderstandall kindsofheavyvehicles design parameters,and then to a highway bridge engineering,for example,in-depth discussions from the car load angle applicability of highwaybridgedesign.

vehicleload;applicability;roadsandbridges;design

U442

A

1007-9467（2016）07-0144-03

2016-05-04

劉偉（1985～），男，河北滄州人，工程師，從事公路、橋梁設計與研究，（電子信箱）79234043@qq.com。