基于新規(guī)范汽車荷載的橋梁上部結(jié)構(gòu)通用圖設(shè)計

■高 雅

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

0 引言

《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01-2014)和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)(以下簡稱“新規(guī)范”)對公路橋涵汽車荷載進行了調(diào)整[1-2]，50 m 以下的中小跨徑橋梁受到的影響最大。 原有交通部公路橋梁結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)系列通用圖(2006)[3](以下簡稱“部頒圖”)不能再直接使用,且部頒圖編制委員會已表示不再組織編制針對新規(guī)范的標準圖，因此新規(guī)范實施后，各設(shè)計單位都面臨重新編制通用圖的問題。 文章對荊門地區(qū)常用的后張法空心板和小箱梁進行了驗算和對比， 分析部頒圖在新規(guī)范下的適用度，并對不滿足要求的通用圖進行修訂。

1 新規(guī)范汽車荷載的變化

1.1 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

新規(guī)范中橋梁結(jié)構(gòu)安全等級的分類做了調(diào)整，《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[4](以下簡稱 “舊規(guī)范”)按照特大橋、大、中、小橋等劃分安全等級，新規(guī)范則根據(jù)公路等級劃分：例如一級公路中小橋，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)由1.0 調(diào)整到1.1。 總體來說新規(guī)范提高了大部分橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全等級，提高了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

1.2 汽車荷載等級

自2009 年起我國各地開始陸續(xù)取消二級公路收費，部分二級公路的交通量和荷載水平有了較大增長[2]。因此新規(guī)范調(diào)整了二級公路汽車荷載等級。 舊規(guī)范二級公路采用公路-II 級，新規(guī)范調(diào)整為：一般情況下采用公路-I級，二級公路為非干線公路且重型車輛不多時采用公路-II 級。

1.3 汽車荷載標準值

汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。 車輛荷載的主要技術(shù)指標未發(fā)生變化， 但在進行荷載組合時其分項系數(shù)由1.4 提高至1.8， 橋面板的計算將受到較大影響；車道荷載的計算參數(shù)也進行了調(diào)整：車道荷載由均布荷載qk和集中荷載Pk兩部分組成， 均布荷載qk保持不變，公路一I 級的集中荷載標準值Pk有了較大變化，這一變化針對50m 以下的中小跨徑橋梁，詳見表1。

汽車荷載標準值的修訂主要針對中小跨徑橋梁，源于中小跨徑橋梁在實際運營中的汽車荷載超越舊標準的問題相對突出，而大跨徑橋梁與舊標準適應(yīng)性較好[1]。

表1 新舊規(guī)范集中荷載Pk 取值

1.4 橫向車道布載系數(shù)

新規(guī)范增列了單車道的橫向車道布載系數(shù)， 多車道的橫向折減系數(shù)未做變化。

2 部頒圖驗算

荊門市地處漢江中下游，境內(nèi)溪泉庫渠縱橫，地區(qū)兼有低山坳谷區(qū)、丘崗沖溝區(qū)和平原湖區(qū)地貌。后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板和預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁能很好的適應(yīng)當?shù)氐牡匦蔚孛矖l件， 是荊門地區(qū)最常用的橋梁上部結(jié)構(gòu)形式。橋梁跨徑10m≤L≤16m 時上部結(jié)構(gòu)采用后張法空心板，跨徑20m≤L≤40m 時采用小箱梁，新規(guī)范實施前均使用部頒標準圖。 新規(guī)范實施后原基于舊規(guī)范編制的部頒圖能否適用、如何修訂，是設(shè)計過程中必須面臨的問題。

2.1 空心板

選取公路-I 級汽車荷載、B=24.5m 斷面、簡支結(jié)構(gòu)的部頒圖空心板，分別驗算10m、13m、16m 跨徑。 斷面布置見圖1。 以橫向分布最不利單梁的跨中彎矩為研究對象，對比新舊規(guī)范汽車荷載工況下的彎矩變化見表2， 承載能力富余度見表3。

圖1 B=24.5m 斷面16m 空心板橫斷面布置圖(單位:mm)

表2 新規(guī)范汽車荷載空心板跨中彎矩增大比例

表3 新規(guī)范汽車荷載空心板跨中承載能力富余度

(1)車道荷載集中力增大后，邊板和中板的跨中彎矩增大比例在9%～17%之間，同跨徑中板、邊板彎矩增大比例基本一致； 跨徑越小受活載影響越大, 彎矩變化越明顯。

(2)新規(guī)范汽車荷載下各跨度空心板的承載力富余度下降明顯，10m 空心板、13m 空心板邊板承載力已經(jīng)不能適應(yīng)新荷載的要求，13m 中板、16m 空心板承載力尚可滿足要求，但富余度已接近臨界值。

(3)由以上驗算可知，部頒圖空心板已基本不適用于新規(guī)范公路-I 級汽車荷載。

2.2 小箱梁

選取部頒通用圖公路-I 級汽車荷載、B=24.5m 斷面的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁， 分別驗算4×20m、4×25m、4×30m、4×35m、4×40m 跨徑。 驗算結(jié)論如下：

(1)新規(guī)范汽車荷載作用下各跨徑小箱梁的承載能力均能滿足要求，但承載能力富余度有所下降，尤其邊梁的承載力富余度最小。 這是由于小箱梁配束區(qū)分中、邊跨，不區(qū)分中、邊梁，即同一跨內(nèi)中、邊梁配束一致，因此同樣位置處中梁的承載力富余略大于邊梁， 汽車荷載變化后也呈現(xiàn)這一規(guī)律。 以4×20m 跨徑跨中彎矩承載力富余度為例，中跨邊梁富余度接近臨界值，中梁富余度尚可，詳見表4。

表4 4×20m 小箱梁跨中彎矩承載力富余度表

(2)車道荷載集中力增大后，中梁、邊梁的跨中彎矩增大比例在1.1%～7.6%之間，同跨徑中梁、邊梁彎矩變化比例基本一致；同樣是跨徑越小受活載變化影響越大，彎矩變化越明顯。 對比新舊規(guī)范汽車荷載工況下的彎矩變化見表5。

(3)部頒圖20m 跨徑小箱梁不推薦直接使用，并需要加強主拉應(yīng)力驗算。

(4)部頒圖其他跨徑小箱梁需驗算通過后使用。

3 上部結(jié)構(gòu)通用圖修訂

由驗算可知，新規(guī)范汽車荷載作用下，部頒圖空心板跨中彎矩增大比例最大達17%，承載能力下降明顯；部頒圖小箱梁跨中彎矩增大比例最大為7.6%，承載能力基本滿足要求。 根據(jù)受力計算及剛度需求，在部頒圖基礎(chǔ)上，上部結(jié)構(gòu)作出如下調(diào)整。

3.1 空心板梁高增加5cm

目前空心板橋在運營中廣泛反映出剛度偏小的問題，考慮到汽車荷載重型化，同時結(jié)合結(jié)構(gòu)耐久性要求，修訂的通用圖在部頒圖基礎(chǔ)上增加了5cm 梁高，以保證空心板的安全儲備和耐久性，同時可以增大剛度，減少撓度。 增加5cm 梁高，截面慣性矩提高17%～24%，效果顯著。

表6 空心板梁高及中板跨中斷面慣性矩提高系數(shù)表

3.2 空心板現(xiàn)澆層厚度調(diào)整至15cm

空心板結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系較弱， 運營中存在大量鉸縫開裂導致的單板受力現(xiàn)象， 將10cm 現(xiàn)澆層厚度調(diào)整為15cm，不僅增強橫向聯(lián)系，同時抵抗橋面板驗算中車輛荷載分項系數(shù)的提高。

3.3 取消16m 空心板連續(xù)結(jié)構(gòu)

部頒圖中16m 空心板有簡支和連續(xù)兩種結(jié)構(gòu)類型。連續(xù)結(jié)構(gòu)可抵消一部分跨中彎矩，同時行車舒適性好。而空心板用作中小跨徑， 結(jié)構(gòu)簡支或連續(xù)對行車舒適性的影響不明顯，材料節(jié)省也非常有限。 對比11.25m 橋?qū)拑煞N結(jié)構(gòu)的一孔材料數(shù)量表，鋼束用量：連續(xù)結(jié)構(gòu)是簡支結(jié)構(gòu)的0.98 倍，鋼筋用量：連續(xù)結(jié)構(gòu)是簡支結(jié)構(gòu)的1.26 倍。且簡支結(jié)構(gòu)施工便捷、節(jié)省工期，因此修編圖紙僅保留簡支結(jié)構(gòu)空心板。

3.4 調(diào)整20m 小箱梁鋼束規(guī)格

邊跨N1 及中跨N2 鋼束[3]編束增加一股，邊跨N1：4Φs15.2mm→5Φs15.2 mm, 中跨N2:3Φs15.2mm→4Φs15.2 mm。使其彎矩承載力富余度與舊規(guī)范汽車荷載作用下相當。

4 空心板工程量對比

以B=24.5m 斷面單幅12m 橋?qū)挒槔抻喦昂笠豢咨喜恐饕こ塘恐笜藢Ρ纫姳?。

表7 12m 橋?qū)捒招陌逡豢咨喜抗こ塘恐笜?/p>

受截面高度提高影響，修訂后空心板每m2混凝土用量有所增加，但仍在合理范圍內(nèi)。 每m2鋼絞線指標略有提高，影響很小。 鋼筋用量增長較大，主要原因是修訂后的空心板為加強安全儲備，增大了鋼筋直徑，部頒圖鋼筋用量較節(jié)省、 經(jīng)濟， 如將原圖中直徑12mm 主筋調(diào)整為16mm，直徑6mm 箍筋調(diào)整為10mm 等；另外空心板截面尺寸增加也是原因之一。

5 結(jié)論

通過對比、分析新老規(guī)范的不同，根據(jù)新老規(guī)范對部頒圖空心板、小箱梁的承載能力進行了驗算和對比分析，可以得出：10m、13m、16m 跨徑后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板已不能直接使用；20m 跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁承載能力富余度不夠， 其他跨徑小箱梁應(yīng)在驗算通過后再使用。

結(jié)合荊門當?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)經(jīng)驗， 對不滿足新規(guī)范汽車荷載要求的空心板及20m 跨徑小箱梁通用圖進行了修訂：增加空心板梁高、增加現(xiàn)澆層厚度、取消空心板連續(xù)結(jié)構(gòu)， 以及調(diào)整小箱梁配束。 修訂后的上部結(jié)構(gòu)通用圖，已在多個建設(shè)項目中得到應(yīng)用，并將根據(jù)施工反饋和運營情況持續(xù)進行修改和完善。