公路桥梁疲劳荷载谱

李幸杰 余世杰

摘要：本文简要介绍了公路桥梁疲劳荷载谱的制定过程，并对美国公路桥梁（AASHTO）疲劳荷载谱以及我国公路及城市桥梁疲劳荷载谱的研究现状进行了简要介绍。

关键词：公路桥梁疲劳荷载谱AASHTO标准疲劳车

中图分类号：TU997文献标识码： A

一、概述

和结构的静力设计不同，钢桥疲劳设计所采用的荷载不是按强度设计时的标准活载，而是考虑采用经常作用的各种实际的车辆荷载，从而计算它们所引起的各种累计损伤。因此，需要研究车辆荷载的频值谱,也称荷载谱。

荷载谱是将设计基准期内桥梁构件所经历的实际营运荷载（或营运荷载与标准活载的比值），按其大小及出现次数全部开列出来，又称活载频值谱。现实中，不同大小的活载时间上出现的先后次序完全是随机的，但由于研究时间较长，这种不同大小活载出现的先后次序一般具有相同的规律，可以认为这个先后次序对构件的疲劳破坏没有影响，因此实践中为了计算方便，一般按照活载的大小顺序排列。构造各裂源点受到应力变化是疲劳开裂的直接原因，在得到活载频值谱之后，再计算设计应力频值谱。应力频值谱应该将桥梁使用寿命期间验算点将受到的不同应力脉及其次数逐个列出，大小应力脉的先后次序一般不考虑。

制定疲劳荷载谱时必须从实际出发，进行大量的交通调查。对于已建桥梁，可以实地调查交通量，然后统计分析得出比较准确的数据，但是对于设计阶段的桥梁，就必须通过调查分析，尽可能较准确地预测桥梁使用寿命期内所经历的荷载历程。在制定荷载谱时应注意以下几个问题：短期测量得到的荷载不可能完全反映未来荷载的变化，应考虑桥梁用途的可能改变，可能导致的运量的增加及负荷变化等；动荷载产生动力效应时应考虑动力作用的影响；当外载引起结构的变形或振动而产生次效应时，也应考虑。

铁路上通过的列车是有一定规律的。对于公路，经过大量的交通量数据统计分析，也可以找到一些规律，因此在应用上可以将运营期荷载用一种或几种“典型列车编组”（或“标准营业车”）来代表。各典型列车、标准营业车出现的次数应根据与实际营运荷载等效的原则确定。 “典型列车编组”或“标准营业车组”疲劳验算时称为“疲劳车”。这样，只需计算“疲劳车”的内力历程，再乘以其出现的累计次数，总加起来，就能得到所需要的荷载谱。

二、美国公路桥梁（AASHTO）疲劳荷载谱[1]

AASHTO规定的标准疲劳车是一辆三轴设计货车，设计货车的轴重、轴距及轮距见图2-1，并规定动荷载增大15%施加于疲劳荷载上（特殊部件除外）。

图2-1AASHTO公路桥标准疲劳车

美国公路桥梁设计规范规定疲劳荷载的频率应取单车道日均货车交通量ADTTSL。此频率应施加于桥梁的全部构件，包括那些位于承受货车数量少一些的构件上。

当缺少可靠的交通量资料时，单车道日平均货车交通量取值为：

AMTTSL=P×ADTT

式中：ADTT表示在设计寿命期限内平均每天的单向货车数；AMTTSL表示在设计寿命期限内平均每天的单车道货车数；P按表2-1取用。

表2-1 单车道内货车交通量占的比率P

容纳的车道数 P

1 1.0

2 0.85

3或更多 0.80

极值力效应也可由一条车道内的一个145kN的轴和另一车道内的220kN的轴，双轴产生，这在理论上是可能的，但在实际设计中太过复杂，不值得。

疲劳及断裂极限状态是用累积应力范围循环来定义的，仅有荷载规范是不够的，荷载与荷载出现的频率应一起规定。

单车道ADTT是指大部分货车过桥时所走的那条车道的ADTT。在一座附近没有出入匝道的桥梁时，临近路肩的车道承受大部分货车交通。由于将来桥梁上的交通模式不能确定，因此假定对单车道疲劳荷载的频率适用于所有车道。

研究表明，日平均交通量ATD包括所有汽车——小汽车和货车，在正常情况下，每条车道每天实际上限于20000辆左右。因此，在估计ADTT时，应考虑交通的限定值。ADTT可以通过ATD乘以货车在交通量中的比率来确定。对于常规的桥梁，对于不同的公路等级——乡村州级、城市州级、其它乡村公路、其它城市公路，货车所占的比率依次为：0.20、0.15、0.15、0.10。

三、我国公路及城市桥梁荷载谱简介

我国公路和城市道路桥梁，还没有疲劳设计的车辆荷载谱。我国《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025—86）的1.2.17条规定：“验算疲劳强度时，可根据桥梁的实际行车情况，选用实际经常发生的荷载组合中的车辆荷载进行计算”。但对于荷载大小、布置形式以及加载规定等均未说明。

目前我国的桥梁设计人员在作疲劳设计时选用“疲劳车”时，都基本上参照国外例如英国、美国等国家的规范规定或采用静力强度设计时标准活载中的一辆重车进行的。目前我国关于疲劳荷载谱所做的研究主要有：

（1）童乐为、沈祖炎等[2]以上海市内环线中山路3号桥的地面桥为例，对城市道路桥梁的车辆荷载谱作了研究。他们分别于1994年和1995年对此桥作了两次交通调查，采用了1995年交通调查的数据。得到了由18类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱。并按照等效疲劳损伤原理，从实测的车辆荷载频值谱提炼出一种由6类模型车辆组成的、占总交通量20.17%的荷载频值谱。

（2）王荣辉、池春等[3]于2003年对广州市内环线恒福路段高架桥进行了交通调查，得到了由6类日常典型运营车辆组成的荷载频值谱，并根据等效疲劳损伤原理，从实测的车辆荷载频值谱提炼出一种由2类模型车辆组成的、占总交通量16.37%的荷载频值谱。

（3）周泳涛、鲍卫刚等[4]以2007年交通部公路工程标准修订项目“公路桥梁疲劳设计荷载标准”为依托，基于全国范围内实地调查高速公路正在运营的各种车辆荷载状况，从疲劳致伤理论的角度，采用数理统计和可靠度理论的分析方法，建立公路钢桥疲劳设计标准车辆荷载模型。

疲劳荷载谱必须具有通用性，制定必须以大量实地的桥梁交通调查为依据，需要耗费很多人力和财力。要制定一个适用于我国实际情况的公路桥梁疲劳荷载谱，需要桥梁工作者的不懈努力。

参考文献：

[1]美国各洲公路和运输工作者协会．美国公路桥梁设计规范(1994)．辛济平等译．人民交通出版社，1997

[2]童乐为，沈际炎等．城市道路桥梁的疲劳荷载谱．土木工程学报．1997， 30（5）：20-27

[3]王荣辉，池春等．广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究．华南理工大学学报(自然科学版)．2004，32（12）：94-96

[4]周泳涛，鲍卫刚等．公路钢桥疲劳设计荷载标准研究．土木工程学报．2010， 43（11）：79-85