浅谈城市桥梁设计汽车荷载标准

徐红卫

CJJ 77-98城市桥梁设计荷载标准(以下简称城市98荷载标准)由建设部城市建设研究院负责主编,同济大学参编,于 1998年6月以建标[1998]125号文批准为强制性行业标准,自1998年12月1日起施行。城市98荷载标准真实地反映了城市桥梁承载特点,按车道均布荷载加集中力的布载模式,也与国际桥梁设计先进技术接轨。城市98荷载标准在施行10年后,中华人民共和国住房和城乡建设部建标[2008]104号文自2008年10月1日废止了城市98荷载标准,但并未明确目前我国城市桥梁设计荷载应采用的标准。规范是桥梁设计的依据,而其中规定的荷载取值和加载方式则直接影响所建桥梁的构件尺寸、通行能力、预期设计寿命以及工程造价。城市98荷载标准的取消使目前城市桥梁设计荷载取值变为无据可依。本文分析了目前城市桥梁实际汽车荷载的特点,对比了城市98荷载标准和JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范(以下简称公路04规范),以及参考国外桥梁设计荷载规范,提出目前阶段城市桥梁设计荷载的取值标准,并对制定中的城市桥梁设计通用规范提出建议。

1 目前城市桥梁汽车荷载的特点

1)城市桥梁的车辆密集程度比公路桥梁高,车辆间距非常小,车辆拥堵发生的概率非常大。2)城市桥梁的车辆通行速度都较慢,而且桥面平整度一般都较高,因此荷载冲击效应要比公路桥梁小。3)现代化大城市的人口密度很高,作用于城市桥梁上的人群荷载密集度一般也高于公路桥梁。4)城市桥梁的车辆通行状态往往比公路桥梁拥挤,因此车道的折减系数应与公路桥梁有别。5)同公路桥梁比,城市桥梁的重车相对较少。

因此虽然车辆运行于城市桥梁和公路桥梁上没有明显的分界,很多过境车辆既要通过城市桥梁,也要经过公路桥梁,但由于城市内部交通的特殊性,城市桥梁荷载仍具有其自身的特点。

2 城市98荷载标准与公路04规范汽车荷载比较

2.1 城市98荷载标准与公路04规范在制定车辆荷载标准时采用的方法

公路04规范在制定公路桥涵汽车荷载时,主要根据交通量长期观测资料选取几个省几条比较典型的道路,设点实地观测,采取了6万多辆机动车的动态数据,包括车重、各轴重、轴距、车速和车辆通过测点的时刻(即车间距),同时测得车辆在自然堵塞状况下的相关数据。对经整理的车辆荷载的各项数据,运用数理统计方法,确定一般运行状态和密集运行状态时设计基准期的最大值分布及其参数。计算车辆荷载作用于桥梁结构产生的效应值,对其计算结果进行统计分析,得出设计基准期内各类车辆荷载效应的概率分布及其统计参数。在此基础上通过对89规范的校准,参考国外成熟的汽车荷载计算模式,制定出相应规定。

城市98荷载标准制定桥梁汽车荷载时,主要是结合国内的实际情况,直接采用了国外成熟、可靠并且实用的制定荷载的方法。通过计算、分析比较几个国外有影响的桥梁设计荷载标准,最终选用了更符合中国国情、并有实测资料为基础的加拿大安大略省公路桥梁设计规范中有关汽车荷载的规定,同时分析并吸取了一部分其他国家桥梁设计荷载的成熟规定,编制确定我国的城市桥梁设计荷载标准。

从研究制定方法上看,两种桥梁设计规范在制定设计荷载的方法上有所区别,公路桥涵设计荷载的制定建立在交通量调查和统计的基础上,城市桥梁设计荷载则主要是通过分析和选用国外规范中的成熟规定来制定。但两种规范汽车荷载的计算模式都采用了均布力加集中力的模式,在制定标准时取值上也考虑了两种标准的一致性和兼容性。

2.2 城市98荷载标准与公路04规范计算参数比较

2.2.1 汽车冲击力

城市98荷载标准有关汽车冲击力的计算近似认为冲击力与计算跨径成反比,并为车道荷载和车辆荷载计算提供了不同的公式。公路04规范采用机构基频计算汽车冲击力,其大小与结构质量、跨径和刚度均有关。相对来说,公路04规范计算汽车冲击系数更为合理,因为汽车的冲击力与多种因数有关:如桥面的不平整度、汽车速度、汽车的特性、桥梁的动力特性及活载和恒载的比例关系。对比两者大小,公路04规范计算汽车冲击系数比城市98荷载标准对小跨径桥梁有较大的提高,大跨径桥梁趋于接近。

2.2.2 汽车制动力

对于汽车制动力的计算方式,两者规定是一致的,均采用固定值与10%的车道荷载中的较大值作为设计值。二者的主要不同之处除了车道荷载本身的大小差别外,当计算加载车道为同向的两条以上时,各自对汽车荷载制动力的标准值有不同规定。

2.3 城市98荷载标准与公路04规范荷载效应值比较

关于城市98荷载标准与公路04规范荷载效应值,国内已有多篇文章进行分析比较,并得到一些公认的结果。对跨径2 m～80 m的简支铰接板梁结构,根据荷载效应值计算结果,跨径小于30 m的桥梁采用城市98荷载标准安全度更高,超过30 m的桥梁采用公路04规范荷载安全度更高[4]。而对于8 m～30 m预应力混凝土连续箱梁,荷载效应值计算结果表明:跨径较小时城市98荷载标准计算的最大弯矩比公路 04规范大,跨径较大时,反之[5]。根据以上的计算分析结果,对于小跨径桥梁,城市98荷载标准更安全,而对于大跨径桥梁则采用公路04规范更可靠。从总体上看,其差值均在10%以内。同时通过比较还表明:城—A级与公路—Ⅰ级可近似为一个级别的荷载形式,城—B级与公路—Ⅱ级可近似为另一个级别的荷载形式[5]。

3 国外桥梁荷载规范

各国桥梁荷载标准相差悬殊,横向分布系数,冲击的计算公式与方法也各异。无论是从计算图式的复杂性还是绝对计算数值方面,我国规范均处于折中状态,但在计算系数方面,我国规范的规定相对较简单。在桥梁的内力计算上以 L=50 m两片简支主梁为例。活载引起的内力,如以美国规范中最大活载计算的跨中弯矩为100%,德国规范可达186%,英法规范可达298%。而按城市98荷载标准的城—A,城—B荷载算出的结果比美国AASHTO荷载标准算出的结果约大50%[2]。各国汽车荷载作用下桥梁的内力差别很大,当然与结构形式和跨径紧密相关,但总体来说,我国规范中规定的汽车荷载在桥涵结构上引起的各种响应在各个国家规范中处于中等水平。

4 结论与建议

目前我国集装箱运输发展很快而且吨位日趋增大,在确定城市桥梁车辆荷载标准时应考虑汽车有增长趋势,而且我国城市中车辆型号众多,进口、国产都有,车型与车重趋向于众多化、重型化及国际化的方向发展。

考虑到城市98荷载标准与公路04规范产生的荷载效应值大小存在一定的差异,本着确保结构安全的原则,兼顾当前车载的实际情况和未来桥梁设计荷载不断增大的发展趋势,建议在新的《城市桥梁设计通用规范》出台之前,城市桥梁设计荷载采用现行的公路04规范的桥梁设计荷载,同时用城市98荷载标准规定的荷载进行复核,计算结果两者取其不利者控制设计。

对新的《城市桥梁设计通用规范》编制的建议:1)新规范应与现行公路04规范和原城市98荷载标准兼容。2)应考虑目前中国经济发展现状,超载、超重较严重,车道荷载与车辆荷载均建议加重。3)建议在全国范围内选择具有代表性的城市桥梁,对其现状进行较为全面而彻底的调查研究,以便充分掌握城市桥梁的荷载分布规律,编制既符合我国现代城市的实际情况,又能达到国际先进技术水平的荷载标准。4)原城市98荷载标准车道荷载在桥梁跨径20 m处有不衔接现象,建议完善,同时建议对跨径大于150 m的城市荷载标准进行专门研究。5)城市桥梁结构较公路桥梁复杂,冲击系数计算较复杂,建议研究。

[1]徐 建,陈 斌.重庆地区公路桥梁车辆荷载轴重调查研究[J].山西建筑,2009,35(7):293-294.

[2]JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[3]CJJ 77-98,城市桥梁设计荷载标准[S].

[4]李净一,朱文荣,于立新.公路和城市桥梁设计汽车荷载的对比分析[J].浙江交通科技,2006(4):89-92.

[5]李 勇.城市桥梁与公路桥梁设计荷载标准对比[J].交通标准化,2008(14):157-160.