中美公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的汽車荷載效應(yīng)對(duì)比分析

李清富 趙姝彬 李承昌

摘 要：本文以不同標(biāo)準(zhǔn)跨徑的單梁?jiǎn)诬嚨篮?jiǎn)支T型梁為樣本橋梁，將我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）和美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定的汽車荷載分別作用在不同跨徑的簡(jiǎn)支梁橋上，計(jì)算了汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下以及分別考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減和汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)影響的樣本橋梁的跨中彎矩值和支點(diǎn)剪力值，并進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，對(duì)于樣本橋梁，我國(guó)規(guī)范的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)以及考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減影響時(shí)的汽車荷載效應(yīng)計(jì)算值均高于美國(guó)規(guī)范，考慮汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)影響的汽車荷載效應(yīng)計(jì)算值總體上小于美國(guó)規(guī)范。本研究可為我國(guó)今后修訂汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范;汽車荷載效應(yīng);沖擊系數(shù);橫向折減系數(shù);荷載分項(xiàng)系數(shù)

中圖分類號(hào)：U441.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）19-0111-06

Abstract： In this paper， single-beam single-lane simply supported T-beams with different standard spans were used as sample bridges， and the vehicle loads specified in the General Code for Design of Highway Bridges and Culverts （JTG D60—2015） and the American AASHTO Code were applied to different spans. On the simply supported beam bridge of the diameter， the mid-span moment value and the fulcrum shear force of the sample bridge under the influence of the vehicle load standard value and the influence of the vehicle load impact， the multi-lane lateral reduction and the vehicle load component coefficient were calculated respectively. Values were compared and analyzed. The results show that for the sample bridge， China's standard vehicle load standard value effect and the calculation of the vehicle load effect when considering the impact of the vehicle load and the multi-lane lateral reduction are higher than the US standard， and the car considering the car load component coefficient is considered. The calculated load effect is generally smaller than the US specification. This study can provide a certain reference for China's revision of vehicle load standards in the future.

Keywords： bridge design specification;vehicle load effect;impact coefficient;transverse reduction factor;load partial coefficient

汽車荷載是橋梁設(shè)計(jì)最基本也是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。由于各國(guó)公路橋梁運(yùn)營(yíng)車輛存在差異以及車道劃分、車輛間距、交通管理等不同，各國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于汽車荷載的規(guī)定也存在較大差異。為了比較國(guó)內(nèi)外汽車荷載取值與布置方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，本文選取公路工程常用的簡(jiǎn)支T型梁橋作為樣本橋梁，分別采用我國(guó)現(xiàn)行的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[1]和美國(guó)AASHTO規(guī)范[2]規(guī)定的汽車荷載，計(jì)算汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下及分別考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減和汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)影響的樣本橋梁的跨中彎矩值和支點(diǎn)剪力值，并進(jìn)行對(duì)比分析，客觀評(píng)價(jià)中美兩國(guó)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的差異，從而為我國(guó)今后修訂汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)提供一定的參考。

1 我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）關(guān)于汽車荷載的規(guī)定

我國(guó)現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[1]將汽車流分為一般運(yùn)行狀態(tài)和密集運(yùn)行狀態(tài)（包括車輛自然堵塞狀態(tài)）。汽車荷載包括公路—Ⅰ級(jí)和公路—Ⅱ級(jí)2個(gè)等級(jí)。汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，其中，車道荷載由集中荷載和均布荷載組成，適用于結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算（見圖1）;車輛荷載采用550kN的五軸標(biāo)準(zhǔn)車，適用于局部計(jì)算（見圖2）。但車道荷載和車輛荷載的作用效應(yīng)不可疊加[1]。公路—Ⅰ級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為[qk]=10.5kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值[Pk]取值如下：①當(dāng)計(jì)算彎矩效應(yīng)時(shí)，橋梁計(jì)算跨徑[l0≤5m]時(shí)，[Pk=270kN];橋梁計(jì)算跨徑[l0≥50m]時(shí)，[Pk=360kN];橋梁計(jì)算跨徑[5m<l0<50m]時(shí)，[Pk]值取為2×（計(jì)算跨徑+130）;②當(dāng)計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值[Pk]應(yīng)乘以系數(shù)1.2[1]。公路—Ⅱ級(jí)車道荷載的標(biāo)準(zhǔn)值按公路—Ⅰ級(jí)車道荷載的0.75倍計(jì)算[1]。車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿布于使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利效應(yīng)的同號(hào)影響線上，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值只作用于相應(yīng)影響線中一個(gè)影響線峰值處。

2 美國(guó)現(xiàn)行規(guī)范AASHTO關(guān)于汽車荷載的規(guī)定

美國(guó)目前采用的是基于荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)的LRFD橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，荷載由設(shè)計(jì)卡車或與設(shè)計(jì)車道荷載一致的雙軸車組成。設(shè)計(jì)卡車三軸的軸重分別為前軸軸重34kN，驅(qū)動(dòng)軸軸重145kN，后軸軸重145kN，前軸和驅(qū)動(dòng)軸軸距為4.3m，驅(qū)動(dòng)軸和后軸軸距為4.3～9m，以產(chǎn)生最不利效應(yīng)（如圖3所示）。雙軸車前后軸重均為110kN，軸間距為1.2m，橫向?qū)挾?.8m（如圖4所示）。設(shè)計(jì)車道荷載包括分布于橫向和縱向的均布荷載，大小為9.3kN/m（如圖5所示），其中橫向分布寬度假定為3.0m。

該規(guī)范規(guī)定了3種產(chǎn)生極限荷載效應(yīng)的荷載組合[2]：設(shè)計(jì)車道荷載和雙軸車荷載;設(shè)計(jì)卡車荷載和設(shè)計(jì)車道荷載;兩輛設(shè)計(jì)卡車荷載效應(yīng)的90%（兩車間距至少15m）與設(shè)計(jì)車道荷載效應(yīng)的90%組合，每輛汽車145kN軸的距離取用4.3m，用來(lái)計(jì)算處于均布荷載作用下反彎曲點(diǎn)之間的負(fù)彎矩和內(nèi)部橋墩的反力作用。

3 計(jì)算模型

選取國(guó)內(nèi)外公路工程常用的T型梁橋結(jié)構(gòu)形式，考慮單梁?jiǎn)诬嚨篮?jiǎn)支T梁模型[3-7]，將我國(guó)和美國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的汽車荷載分別施加在這些樣本橋梁上，得到最不利荷載布置形式下樣本橋梁的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力效應(yīng)，并進(jìn)行對(duì)比分析。其中，美國(guó)規(guī)范采用設(shè)計(jì)車道荷載和雙軸車荷載的組合作為樣本橋梁上的最不利布載形式。在單梁?jiǎn)诬嚨篮?jiǎn)支T梁汽車荷載效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，分別考慮汽車荷載的沖擊作用、多車道橫向折減、基本組合下汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值等對(duì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的影響。樣本橋梁的跨徑分別為10、13、16、20、25、30、35、40、50、60、70m和80m[3-7]。

4 中美規(guī)范汽車荷載效應(yīng)對(duì)比分析

4.1 汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)比較

根據(jù)各跨徑單梁?jiǎn)诬嚨罉颖緲蛄旱目缰袕澗赜绊懢€及支點(diǎn)剪力影響線布置最不利荷載，并計(jì)算汽車荷載效應(yīng)值，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果表明：中美規(guī)范對(duì)樣本橋梁的汽車荷載效應(yīng)值均與跨徑成正比例關(guān)系，并且總體變化趨勢(shì)一致。中國(guó)規(guī)范計(jì)算的跨中彎矩值比美國(guó)規(guī)范大15%～38%，跨徑小于30m時(shí)差異不明顯，跨徑大于30m時(shí)，隨著跨徑增大，其差值逐漸增大;中國(guó)規(guī)范計(jì)算的支點(diǎn)剪力值比美國(guó)規(guī)范大25%～39%，且隨著跨徑的增大，其差值逐漸增大。

4.2 汽車荷載沖擊作用比較

4.2.1 中美汽車荷載沖擊系數(shù)。汽車在道路上行駛時(shí)，因汽車荷載的動(dòng)力作用導(dǎo)致內(nèi)力或變形增大的現(xiàn)象即為沖擊作用[1]。由于影響沖擊作用的因素眾多，目前國(guó)際上廣泛采用汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以沖擊系數(shù)[μ]來(lái)表達(dá)汽車荷載的沖擊作用[7]。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，汽車荷載的沖擊系數(shù)[μ]是結(jié)構(gòu)基頻[f]的函數(shù)[1]，如表1所示。

此外，汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數(shù)采用0.3[1]。

美國(guó)規(guī)范規(guī)定，汽車荷載的作用效應(yīng)為“靜力作用×[1+IM]”，其中[IM]為輪載靜力作用效應(yīng)的增量，即動(dòng)力荷載系數(shù)[2]，取值見表2。

4.2.2 考慮沖擊系數(shù)后的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)。對(duì)于本例中單梁?jiǎn)诬嚨赖臉颖緲蛄海忻榔嚭奢d沖擊系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明：考慮汽車荷載沖擊作用后，中美規(guī)范對(duì)樣本橋梁的荷載效應(yīng)值均與跨徑成正比例關(guān)系，且總體變化趨勢(shì)一致。中國(guó)規(guī)范計(jì)算的跨中彎矩值比美國(guó)規(guī)范大6%～55%，且隨著跨徑增大，兩者差值不斷增大;中國(guó)規(guī)范計(jì)算的支點(diǎn)剪力值比美國(guó)規(guī)范大15%～54%，且隨著跨徑增大，其差異值越來(lái)越小。

4.3 考慮橫向折減效應(yīng)后汽車荷載效應(yīng)值比較

在橋梁多車道上行駛的汽車荷載使構(gòu)件某截面產(chǎn)生最不利效應(yīng)時(shí)，其同時(shí)處于最不利位置的可能性大小即為橫向折減系數(shù)[3]。通常情況下，車道上滿布車輛的可能性會(huì)隨著車道數(shù)目的增加而減小，相應(yīng)地，車道荷載橫向折減效應(yīng)會(huì)增加。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范和美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定的汽車橫向折減系數(shù)如表4所示。

對(duì)于樣本橋梁，在計(jì)算單車道汽車荷載效應(yīng)的基礎(chǔ)上，考慮橫向折減效應(yīng)，分別計(jì)算2車道、3車道和4車道的汽車荷載效應(yīng)，計(jì)算對(duì)比結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。

結(jié)果表明：考慮多車道的橫向折減效應(yīng)后，中美規(guī)范對(duì)多車道樣本橋梁的汽車荷載效應(yīng)值均與跨徑成正比例關(guān)系，且趨勢(shì)相同。車道數(shù)相同時(shí)，中國(guó)規(guī)范計(jì)算的跨中彎矩值大于美國(guó)規(guī)范，且差值不大，而支點(diǎn)剪力值比美國(guó)規(guī)范大18%～60%。

4.4 基本組合下考慮汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)的效應(yīng)值比較

按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的汽車荷載效應(yīng)（包括沖擊力）的分項(xiàng)系數(shù)為1.40，結(jié)構(gòu)自重的分項(xiàng)系數(shù)為1.20[1];美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定，對(duì)于中小跨徑橋梁，當(dāng)不考慮風(fēng)荷載時(shí)，在常規(guī)汽車荷載情況下，汽車荷載效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)為1.75，結(jié)構(gòu)自重的分項(xiàng)系數(shù)為1.25[2]。

對(duì)于樣本橋梁，承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中，汽車荷載效應(yīng)乘以相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，即為基本組合下的汽車荷載設(shè)計(jì)效應(yīng)[8]。圖11、圖12和圖13分別為中美規(guī)范對(duì)于2車道、3車道、4車道的汽車荷載設(shè)計(jì)效應(yīng)的對(duì)比結(jié)果。

結(jié)果表明：考慮基本組合下汽車荷載的分項(xiàng)系數(shù)后，中美規(guī)范對(duì)多車道樣本橋梁的汽車荷載設(shè)計(jì)效應(yīng)值與跨徑成正比例關(guān)系，且總體變化趨勢(shì)一致。對(duì)于跨中彎矩設(shè)計(jì)值，美國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果總體上大于中國(guó)規(guī)范，且隨著跨徑增大，兩者的差值增大;對(duì)于支點(diǎn)剪力設(shè)計(jì)值，在跨徑較小時(shí)，中國(guó)規(guī)范大于美國(guó)規(guī)范，而隨著跨徑的增大，美國(guó)規(guī)范逐漸大于中國(guó)規(guī)范，且隨著跨徑增大兩者的差值增大。

5 結(jié)論

本文采用我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）和美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定的汽車荷載分別作用在不同跨徑的簡(jiǎn)支梁橋上，計(jì)算了汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下以及分別考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減和汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)影響的樣本橋梁的跨中彎矩值和支點(diǎn)剪力值，并進(jìn)行了對(duì)比分析，最終得出以下結(jié)論。

①中美規(guī)范對(duì)樣本橋梁的汽車荷載效應(yīng)值均與跨徑成正比例關(guān)系且總體變化趨勢(shì)一致。中國(guó)規(guī)范計(jì)算的荷載效應(yīng)值均大于美國(guó)規(guī)范，且隨著跨徑的增大，其差值逐漸增大。

②考慮汽車荷載沖擊作用后，中美規(guī)范對(duì)樣本橋梁的荷載效應(yīng)值均與跨徑成正比例關(guān)系，且總體變化趨勢(shì)一致。中國(guó)規(guī)范計(jì)算的荷載效應(yīng)值均大于美國(guó)規(guī)范，且彎矩值隨著跨徑的增大其差值逐漸增大，而支點(diǎn)剪力值隨著跨徑的增大其差值越來(lái)越小。

③考慮多車道的橫向折減效應(yīng)后，中美規(guī)范對(duì)多車道樣本橋梁的汽車荷載效應(yīng)值均與跨徑成正比例關(guān)系，且趨勢(shì)相同。車道數(shù)相同時(shí)，中國(guó)規(guī)范計(jì)算的跨中彎矩值大于美國(guó)規(guī)范，且差值不大，而支點(diǎn)剪力值比美國(guó)規(guī)范大18%～60%。

④考慮基本組合下汽車荷載的分項(xiàng)系數(shù)后，中美規(guī)范對(duì)多車道樣本橋梁的汽車荷載設(shè)計(jì)效應(yīng)值與跨徑成正比例關(guān)系，且總體變化趨勢(shì)一致。對(duì)于跨中彎矩設(shè)計(jì)值，美國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果總體上大于中國(guó)規(guī)范，且隨跨徑增大兩者的差值增大;對(duì)于支點(diǎn)剪力設(shè)計(jì)值，在跨徑較小時(shí)，中國(guó)規(guī)范大于美國(guó)規(guī)范，而隨著跨徑的增大，美國(guó)規(guī)范逐漸大于中國(guó)規(guī)范，且隨跨徑增大兩者的差值也增大。

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