橋梁設計荷載及其組合形式研究

趙龍江，劉 波

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430014）

0 引言

橋梁荷載可以分為兩種類型，分別為恒載和活載，其中恒載指的是橋梁自身結構產生的荷載，活載則表示橋梁上車輛和人群等可變因素產生的荷載，人群荷載相對車輛產生的荷載較小。近幾年，隨著經濟的快速發展，車輛荷載以及道路交通量快速提高，這一現象也對橋梁設計荷載提出了更高的要求，而根據橋梁實際情況，通過橋梁設計荷載組合的方式對橋梁結構進行驗算，能夠有效提高橋梁設計指標，確保橋梁安全使用。

1 橋梁設計荷載組合必要性

1.1 提高橋梁安全性

安全是橋梁設計的重要前提，會直接影響橋梁交通運行效果，因此需要確保橋梁設計的安全性。尤其是在橋梁設計荷載組合中，要充分考慮安全因素，全面分析橋梁中存在的安全問題。在對交通情況進行全面了解之后，再實施橋梁設計荷載組合工作，根據荷載組合對結構受力情況進行控制，這種方式能夠保證橋梁運行的安全性，同時，降低安全事故出現的概率，為今后橋梁設計工作提供基礎條件。

1.2 增強橋梁耐久性

我國基礎建設近幾年得到了快速發展，橋梁建設項目建設規模不斷擴大，項目建設成本也越來越高。而在橋梁設計荷載階段，設計人員通過綜合分析的方式，研究橋梁的使用年限以及耐久性等，在此基礎上對各個要素進行統一設計處理，這一措施能夠有效提高橋梁在實際使用中的耐久性。

1.3 提升橋梁適用性

橋梁施工項目建設需要達到相應的性能使用標準，因此在橋梁設計中，要對適用性因素進行全面分析。例如，在設計橋梁功能設計過程中，部分橋梁設計缺乏行人通道這一功能，這大大降低了橋梁的實際適用水平，導致功能欠缺。該種情況下實現橋梁設計荷載組合，科學選擇組合形式，可以幫助橋梁設計達到相應的功能標準，最終達到提高橋梁適用性的目的。

橋梁作為我國重要的交通工程樞紐，在交通建設發展中具有非常重要的作用，荷載因素會直接影響橋梁建設質量，尤其是在當前我國交通運輸量快速增加的情況下，汽車超載現象出現的概率上升，嚴重影響了橋梁的建設使用安全。這就需要在橋梁設計中，根據新版規范中的內容，實現橋梁設計荷載的科學組合。

2 橋梁設計荷載優化策略

2.1 全面調查交通荷載

橋梁交通荷載實際上具有較強的隨機性，結合我國實際情況，可以通過公路車輛荷載調查的方式，掌握交通荷載車輛之間的間距、交通流量、交通車型等數據信息，建立真實可靠的數據樣本信息。尤其是對于橋梁來說，大型重載車輛的通行數量較多時，就需要建立更加高效、簡單、全面的交通荷載參數調查系統，進一步提高樣本數據參數的完整性和真實性，為橋梁設計荷載工作提供數據支撐。

2.2 明確橋梁設計荷載分類

根據當前我國相關規范能夠知道橋梁中具有永久作用、可變作用、偶然作用以及地震作用4 種類型的作用形式。永久作用指的是在橋梁設計以及施工中，運用永久性荷載設計方式，其中包括結構重力、混凝土收縮徐變、預加力、水浮力、基礎變位作用以及土側壓力等，以上產生的荷載作用都屬于永久性作用。而可變作用能夠根據環境變化而發生變化，其中包含汽車荷載、汽車沖擊力以及汽車離心力等，以上荷載具有較為明顯的可變性。偶然作用主要包括船舶的碰撞作用、漂流物的碰撞作用和汽車的碰撞作用，此類荷載具有很明顯的偶然性。地震作用則在橋梁位于地震區，需要進行抗震設計時進行考慮。在橋梁設計荷載優化階段，永久荷載的取值難度較低，各個項目都具有對應的數值信息，所以在橋梁設計荷載優化中，將可變作用荷載作為主要研究內容[1]。

2.3 加強橋梁荷載效應計算

橋梁在實際使用階段，由于可變荷載作用的影響，自身荷載作用會發生一定的變化，進而影響結構內力。因此橋梁設計往往將內力最大值作為依據完成設計。影響線能夠準確反映出內力與移動荷載變化之間的關系，利用有限元的方式計算影響線。在此過程中，最基礎的條件就是確定單位以及指向，完成變化圖的制作。除此之外，橋梁荷載效應計算還需要確定橫向分布系數，橫向分布系數通過轉化的方式，將較為復雜的空間問題轉變為平面問題，利用這種方式優化計算過程，提高計算準確性。這一計算結果能夠更為準確地反映出荷載在橋梁橫向的分布情況。目前常用的計算橫向荷載分布系數的方法主要有杠桿法、剛性橫梁法、剛接板梁法和比擬正交異性板法等。

3 荷載組合形式

3.1 汽車荷載及沖擊力

我國橋梁設計規范中明確指出，荷載類型不同，其產生的作用也有所不同。而汽車荷載油分為車輛荷載與車道荷載，在計算橋梁結構過程中，若主要進行整體計算，則只考慮車道荷載進行；若主要進行結構局部計算，則只考慮車輛荷載。車輛荷載主要作用在橋梁的局部位置、橋臺、涵洞以及擋土墻結構土壓計算中。以上兩種類型的荷載不能進行疊加處理，由于橋梁在我國交通體系中的占比較大，因此需要選擇與道路等級相互適應的汽車荷載等級。在計算車輛沖擊力的過程中，對于不同的橋梁結構，選擇的沖擊系數也不同，沖擊系數根據橋梁結構的自身基頻數據完成計算[2]。車道荷載計算如圖1 所示。

圖1 車道荷載計算

3.2 風荷載

風荷載是橋梁設計中的重要影響因素，非常容易受到地理環境、地形地貌以及橋梁結構形式的影響，因此針對受風荷載影響較大的橋梁，其橋梁設計荷載組合中需要充分考慮到風荷載因素。對其進行全面分析計算，最大程度上降低風荷載對橋梁實際運行產生的負面影響。在實際計算過程中，根據我國制定的相關標準，選擇相應公式完成計算，確定風速參數的最大值，最終判斷出風荷載可能產生的影響。例如，在橋梁施工階段，充分考慮橫向風以及縱向風、豎向風的組合，利用Vad=ηVd公式完成計算，其中Vad為不同重現期的設計風速；η 為風速重現期系數；Vd為設計基準風速，這種方式能夠進一步提高橋梁運行的安全性。

3.3 溫度荷載

對于橋梁來說，溫度荷載會對其產生較大的影響，并且這一荷載影響因素無法消除，與橋梁所處環境具有非常緊密的聯系。在環境以及日照的共同影響下，產生了溫度荷載，尤其是在四季變化較為明顯的地區，季節性溫差較大，需要搜集等溫線數據，再根據橋梁的實際情況，對其數據進行調整。通常情況下，對于季節性溫差的考慮，需要將橋梁項目建設地區的海拔高程因素納入其中，高程每增加100m，最低溫度需要降低0.5℃，最高溫度降低1℃。日照溫差也會對橋梁各個梯度的溫度產生影響，橋梁的斷面形式不同，鋪裝類型也要進行相應調整。根據當前我國相關規范內容能夠看出，在選擇橋面鋪裝方式的過程中，要對溫度變化因素給予全面分析，尤其是在晝夜溫差較大的地區，保證橋梁最終性能能夠達到相應標準，最大程度上降低溫度荷載產生的負面影響。在我國橋梁設計過程中，大致將氣候分區劃分為3 個等級，分別為嚴寒區、寒冷區以及溫熱區，根據不同溫度等級計算橋梁結構深度梯度效應[3]。

溫度荷載計算具有抽象性的特點，地區不同，橋梁溫度荷載之間的差異性較大，需要對最高有效溫度和最低有效溫度進行全面分析，橋梁結構的豎向溫度梯度如圖2 所示。其中H 為梁高，t 為混凝土橋面板的厚度，A 值大小根據H 的值確定。

圖2 豎向梯度溫度（單位：mm）

3.4 離心荷載

車輛駕駛平面曲線半徑在250m 之內的情況下，需要計算汽車荷載離心力，橋梁設計中的離心力屬于可變荷載，其計算公式為車輛荷載乘以離心力系數，離心力系數與平面曲線半徑、設計時速具有非常緊密的聯系。這也表示，半徑和設計車速發生變化之后，離心力取值標準也會發生變化。

3.5 人群荷載

人群荷載效應在城市橋梁設計規范中進行了明確規定，針對僅僅具有步行功能的橋梁來說，行人荷載的數值為5kPa，如果橋梁上既能夠通過行人，同時還可以行駛車輛，則行人荷載的取值最低為4.5kPa。從以上數值規定中能夠看出，僅有行人通行的行人荷載數值較高[4]。

3.6 橋梁設計荷載組合

從我國交通部門發布的《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2004）中的內容能夠看出，針對橋梁設計荷載作用以分類制定了明確規定，根據橋梁極限承載能力完成橋梁設計工作，其主要組合形式可以分為以下5種類型。

①基本可變荷載與永久性荷載，這也是橋梁設計荷載中較為基礎的組合形式，在橋梁設計中得到了廣泛運用。②在第一種組合形式的基礎上增加可變荷載，該組合中后者可變荷載主要是由于其他因素影響產生。③將偶然因素導致的荷載與第一種組合形式相互結合。④在橋梁項目施工驗算過程中，由于施工因素的影響，會產生附加荷載，其中包括結構自重、施工機械以及模板支架等，需要將其與第一種組合相互整合。⑤橋梁設計荷載中存在較多的影響因素，因此永久性荷載之間會產生相互影響，進而出現荷載效應，例如預應力以及外部環境產生的負面影響等。由于橋梁設計荷載的實際情況不同，不同類型荷載之間形成相應的組合，加上橋梁設計安全等級并不固定，這就需要調整橋梁設計荷載組合中的系數。針對這一情況，要根據橋梁實際情況選擇相應的分項系數，再根據對應公式完成橋梁設計荷載組合效應計算，確保取值的合理性。

3.7 實際工程案例分析

本案例屬于一級道路，為雙向的四車道，駕駛速度80km/h，橋梁上平曲線半徑250m，采用預制簡支預應力混凝土橋面連續小箱梁結構。本案例中橋梁較長，由于橋梁運營期間會受到多種類型荷載的影響，因此需要保證橋梁設計荷載組合設計的規范性和有效性。設計人員針對橋梁設計荷載組合驗算結果完成結構配筋設計，確保在橋梁受力結構能夠達到相應條件，使其能夠滿足正常運行的需求。

針對這一橋梁建設項目，具體橋梁設計荷載組合形式為以下3 種：①永久性荷載。針對項目建設的上部與下部結構受力情況展開分析計算，在設計永久荷載階段，將橋梁結構的自重、混凝土收縮徐變作為重點完成設計。②可變荷載。橋梁設計中，可變荷載的影響范圍較大，其中主要包括車輛荷載、車輛沖擊力荷載以及車輛離心力荷載等，因此需要從以上3 個方面入手，完成計算和分析。③地震荷載。本次橋梁建設項目區域地震烈度為Ⅷ級，要針對橋梁抗震性能進行分析計算。橋梁設計荷載組合中，按照荷載類型的不同，在極限條件之下分析荷載組合，這種方式能夠保證在最不利于結構安全的條件下橋梁結構設計以及性能的穩定性，確保橋梁項目能夠實現安全運行[5]。

4 結語

綜上所述，我國交通行業得到了快速發展，并且交通建設水平能反映出一個地區的綜合實力，其中橋梁項目的建設規模擴大，其荷載不斷上升。這就要求在橋梁設計中，全面分析不同荷載產生的影響，確定橋梁設計荷載組合形式，通過這種方式控制橋梁的設計承載力，達到項目施工建設關于安全、耐久以及適用的標準。由此可以看出，優化橋梁設計荷載以及組合，對于我國交通建設領域的良好發展具有促進作用。