城市橋梁與公路橋梁的荷載標準設計對比分析

俞志國

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730000）

0　引言

在我國經濟快速發展的背景下，國民內需不斷擴大，我國的服務行業也在不斷發展，使得交通運輸大力發展，各種交通基礎設施建設需求也在持續增加。為了緩解交通運輸的壓力，有效的措施就是修建基礎設施如城市橋梁和公路橋梁，打通交通壁壘并緩解現有線路的交通壓力，此外城市和公路橋梁的建設還能加快社會溝通，提供現代化社會的建設進程。

城市橋梁和公路橋梁在我國的道路建設中都有著很大的比重，這兩者都涉及荷載的問題，對荷載問題的掌握和分析也是進行城市橋梁和公路橋梁設計的關鍵[1-2]。本文首先分析城市橋梁和公路橋梁的差別；其次分別綜述公路橋梁和城市橋梁設計荷載標準的演變過程，分析其中的關鍵問題發展演化歷程；最后總結城市橋梁與公路橋梁荷載標準設計的對比，為更好地開展我國橋梁建設提供參考。

1　城市橋梁與公路橋梁的特點分析

1.1　城市橋梁的特點

廣泛意義上的城市橋梁就是出于城市建設區域內的橋梁結構，包括在河道上的橋梁、跨越鐵路和道路的橋梁、人行橋梁。這里面按照功能劃分不同分為供汽車、火車和行人使用的橋梁，這里主要分析供汽車使用的橋梁。城市橋梁的主要功能是滿足交通通行功能，同時因為其所處的城市環境，因此往往需要兼顧美觀效果，現代城市橋梁的設計也把美觀性作為重要考慮因素，很多地區都把城市橋梁建設成具有地標性的結構。

1.2　公路橋梁的特點

公路橋梁則是區別于城市橋梁的型式，在非城市環境建設的橋梁結構。根據結構型式，公路橋梁有梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋，同時根據其使用對象也有汽車和貨車等類型，這里仍然以供汽車使用的公路橋為分析對象。公路橋梁的特點是滿足城市之間的交通運輸，因此往往以交通通行功能為主要設計目標，美觀性相對于城市橋梁而言不是最主要的，但諸多大跨徑橋梁的美觀設計仍非常受關注。

1.3　相同點與差別分析

根據上述分析，可知城市橋梁與公路橋梁本身結構的特點并不存在很大的差別，城市范圍內的橋梁跨徑相對較低，而公路橋梁跨徑則更大一些，目前超千米級的橋梁也大多是公路橋梁。城市橋梁和公路橋梁都有采用梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等型式。

城市橋梁與公路橋梁的主要區別體現在運輸荷載水平上。盡管這兩種橋梁都有承載交通運輸及行人交通，但是城市橋梁運輸荷載等級總體相對而言低一些或者等級較少，因為城市環境貨物運輸相對較少，而公路運輸等級較多，部分區域荷載等級較低而其他地區運輸荷載等級很高。

2　城市橋梁與公路橋梁荷載設計歷程

2.1　城市橋梁設計荷載

由于我國城市化建設的時間較短，真正的城市橋梁設計荷載標準是從1993年我國建設部頒布的《城市橋梁設計準則》（CJJ 11—1993）開始的，這是我國城市橋梁建造設計的最初規章。隨著后續全球化經濟的發展、城市的快速發展，相應的荷載標準已經不能涵蓋橋梁建設的需求，為了使我國城市橋梁設計荷載標準與國際規范進行接軌，同時滿足現代化城市的發展需求，1998年我國建設部頒布了《城市橋梁設計荷載標準》（CJJ 77—1998），并將該標準設置為強制性，適用于全國范圍內的城市橋梁設計。然而當時的城市橋梁也主要是梁橋結構，結構型式較為單一且跨徑較短，同時隨著城市快速發展及橋梁設計建設理念更新，2011年我國建設部又重新頒布了新的實施規范，即《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011），該規范標準沿用至今。

2.2　公路橋梁設計荷載

公路橋梁設計荷載的改變可以從汽車荷載標準的演變看到整個歷程[3-4]。汽車荷載反映了目前社會上運營車輛的荷載水平和等級，中華人民共和國成立后我國當時的車輛類型不多，汽車荷載的標準就是根據這些運營車輛提取的單個車輛或者一個車隊，我國1989年的《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021—1989）中的荷載模型就是通過市場調研及相關實測數據獲得，其55 t車輛荷載模型就是通過基于市面上運輸的最大載重車輛確定，其車隊荷載模型中各種噸位的車輛（10 t、15 t、20 t、30 t、55 t）也都是通過對市場運營車輛載重大量調查獲取的，代表了當時車輛的載重狀況。其他的荷載標準也是基于同樣的思路進行設定的，隨后在交通運輸快速發展的背景下，特別是在市場經濟的刺激下，車輛運輸荷載具有很大的不確定性，很多原本只能裝載20 t的車輛經過各種改裝能夠裝載100 t以上，這使得市面上運輸車輛荷載不確定，因此相關的荷載標準也在不斷提高，形成了2004年的《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）。

隨著我國超載重載問題越來越嚴重，多起因為車輛超載導致的橋梁垮塌事故也驗證了這一點。2007年10月23日，包頭市民族東路高架橋引橋垮塌事故由 3 輛 151.05 t、153.715 t、151.48 t超載汽車并排行駛所致；2012年8月24日，哈爾濱陽明灘大橋引橋由 4 輛 149.7 t、163.6 t、153.3 t、18.2 t重車排隊行駛造成。這些事故說明橋梁實際運營的荷載水平已經遠遠超過規范值，因此研究設計人員已經意識到目前公路橋梁汽車荷載設計標準對中小橋梁的不適宜性，新版2015年《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）將原來的車道荷載集中力由5 m 180 kN提高到5 m 270 kN，此外許多地區橋梁設計規范采用更大的荷載標準，以考慮地域貨運的差別。

3　城市橋梁與公路橋梁荷載標準對比

從城市橋梁與公路橋梁的特點分析來看，城市橋梁的荷載等級相對較少，總體荷載水平相對低于公路橋梁。以下根據最新版本的城市橋梁和公路橋梁設計荷載規范分別從荷載定義和荷載組合兩個層面分析了相同及差別。

3.1　荷載標準對比

城市橋梁和公路橋梁的荷載種類仍然主要分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載三大類。永久荷載在兩個設計規范中都是相同的，體現了設計方法和所用建設材料是一致的。偶然荷載在兩個設計標準中也基本一致，只是偶然地震荷載在城市橋梁設計中受到了突出考慮。因為近年來地震災害發生較多，而城市屬于人口密集度非常大的區域，偶然地震所產生的損失及后果非常嚴重，因此城市橋梁設計規范對于防震功能提高了設計力度，這方面公路橋梁設計規范相對較簡單些。可變荷載在兩個設計規范中差別較為顯著，主要體現在車輛荷載、人群荷載和溫度荷載方面。公路橋梁凸顯了溫度荷載的作用效應，這往往是因為公路橋梁的建設環境較為開闊，大氣溫度對其影響較大的原因，因此詳細規定了梯度溫度和均勻溫度的作用效應。此外因為運輸荷載類型的差別，汽車荷載和人群荷載在這兩種設計標準中具有較大差別。

3.2　汽車荷載設計標準對比

汽車荷載是城市橋梁和公路橋梁差別最為顯著的荷載標準，這主要是因為城市環境和公路環境的運輸荷載等級及類別不同所致。汽車荷載涵蓋了車道荷載、車輛荷載、汽車沖擊力、汽車制動力四個方面。早先頒布的1989年的城市橋梁設計規范其荷載標準與2004年的公路橋涵設計規范均有很大的差別，目前2011年版本的城市橋梁設計規范與2004年的公路橋涵設計規范的車輛荷載部分基本相同，而2015年頒布的公路橋涵設計規范對車輛部分改動較少，因此均分析最新版本的設計規范標準。

車道荷載目前城市橋梁和公路橋梁均采用均布荷載+集中力的形式（見圖1），公路橋梁分為Ⅰ級和Ⅱ級，城市橋梁分為城A和城B，分別對應。目前所采用的橫向分布系數、車道荷載系數、縱向折減系數等取值都是相同的。車道荷載標準主要適用橋梁總體構件的驗算。

圖1　車道荷載模式

車輛荷載標準在城市橋梁和公路橋梁中的規定具有很大差別，車輛標準是一輛標準重車，公路橋梁采用55 t五軸車，城市橋梁采用70 t五軸車，相關參數比較見表1。車輛荷載標準主要用于橋梁局部構件如橋面板、涵洞、橫梁等設計。城市荷載標準的提高也主要是考慮城市經濟發展使得超載重載車輛存在的緣故。

表1　車輛荷載標準在城市橋梁和公路橋梁上的差別

汽車沖擊力方面兩種設計的計算方法不同，城市橋梁計算汽車沖擊力以計算跨徑和沖擊力的反比值為主，公路橋涵的計算則更加全面地考慮了結構剛度、跨徑和結構質量，這方面公路橋涵設計標準更加全面些。

汽車制動力方面，公路橋梁與城市橋梁對汽車制動力的規定是相同的，但是因為汽車制動力與車道荷載和車輛荷載標準高度相關，因為公路與城市橋梁在車輛荷載標準方面的差異，使得這兩種的汽車制動力也有差別。

3.3　人群荷載設計標準對比

顯然因為城市橋梁的人群荷載集度更加顯著，因此城市橋梁對人群荷載的規定相對于公路橋梁更加全面和嚴格。通常規定有車輛和行人的情況下行人和荷載標準值為4.5 kPa，而只有行人的城市橋梁其荷載標準變成5.0 kPa。可以看到只有行人的情況下的荷載標準更加大，這是因為以往的城市橋梁中有出現因為行人荷載過大引起橋梁損失的案例，因此在設計標準中應特別考慮。

3.4　荷載組合標準對比

荷載組合是考慮各種荷載同時發生的情況及其概率折減進行的荷載作用，這種組合就是考慮實際情況下橋梁結構可能同時經受多種荷載作用，需要在單獨考慮各種荷載的情況下施加適當的組合進行結構安全性能和使用性能的驗算，城市橋梁和公路橋梁的荷載組合標準都是相同的，組合考慮的方式也相同，包括基本永久荷載與各種可變荷載組合，以及加入偶然荷載的組合方式等。

4　結語

明確城市橋梁與公路橋梁的荷載標準相同和差異，對于設計人員更好地掌握結構設計方法非常重要。通過分析城市橋梁與公路橋梁設計荷載標準的演變過程和特點，總結了這兩種設計標準在荷載層面的相同點和差別，方便設計人員參考使用。