关于大跨径桥梁车辆设计荷载研究

朱如松

(湖南省公路设计有限公司，湖南 长沙 410011)



关于大跨径桥梁车辆设计荷载研究

朱如松

(湖南省公路设计有限公司，湖南 长沙 410011)

近年来，伴随着经济的高速发展，类似于港口、运煤路线以及矿山连接线等一些特殊路段上重载、超载、密集运行交通情况日益明显，行驶在公路上的大型、重型车辆荷载远远超过现行桥梁设计规范中的设计荷载等级，对使用中的桥梁结构造成重大的安全隐患。结合具体工程实例，根据现有调查结果，深入研究目前的交通状况对大跨径桥梁车辆设计荷载的影响。

大跨径桥梁；车辆设计荷载；设计荷载模型

公路桥梁标准车辆荷载作为公路桥梁设计的主要依据,对桥梁结构安全性和经济性起着决定性的作用。设计采用的车辆荷载标准是建成后桥梁实际运行的交通车辆依据,车辆荷载标准采用不合理会直接影响桥梁结构安全等[1],因此,车辆荷载标准的选用应考虑经济发展带来的实际行车荷载增长可能性。

在中小跨径的桥梁中,重车在不同车道中相遇的概率决定车辆荷载的横向折减系数。随着桥梁跨径的长度变化,多车道的横向折减系数也随之改变成为一个非常数[2-3]。

1 工程概况

本次研究桥梁在湖南省内,位于某高速公路上的2座大跨径桥梁,距离约为8 km。省内的数条高速公路和国省干道的交通量随着经济发展,也远远超出公路本身设计的车辆荷载标准,车辆严重超载,其路段内的公路部分桥梁结构受到破坏。

本桥梁均为预应力混凝土变截面连续箱梁桥,其中1座主跨为150 m,跨径组成为90 m+150 m+90 m,3跨1联,墩顶箱梁高为9 m,跨中箱梁高为4 m,设置双向6车道,左右2幅桥分离,半幅桥宽为12.5 m,采用单箱单室,腹板厚为0.7～0.9 m,顶板厚为0.28 m,底板厚为0.32～1.0 m,如图1所示。

图1 主跨150 m变截面连续箱梁桥立面示意图

2 国内车辆荷载设计标准

2.1 城市桥梁设计规范

根据文献[4],针对跨径小于150 m的城市桥梁结构汽车荷载作出相应规范,将城市桥梁设计汽车作用,分为城-A和城-B级2个级别,汽车作用又细分为车辆荷载和车道荷载。利用车辆荷载计算桥梁结构的横隔板、行车道板等,利用车道荷载计算桥梁结构的主梁、主拱及主桁架等。在桥梁结构计算时,车辆荷载和车道荷载的作用不能叠加。

城-A级和城-B级车道荷载皆按照均布荷载加1个集中荷载计算,如图2所示。均布荷载标准值q与集中荷载标准值P由桥梁的跨径和荷载等级决定,在计算桥梁结构弯矩时,均布荷载标准值取qM,计算桥梁结构弯矩时,均布荷载取qQ。当桥梁结构跨径处于20～150 m,且车道数多于4条,城-A级计算剪力时应乘以1.25的增长系数,城-B级计算剪力时应乘以1.3的增长系数。

图2 车道荷载示意图

2.2 公路桥涵设计通用规范

现行公路桥涵设计通用规范中,对桥梁结构的汽车作用计算图示、荷载等级、荷载标准值、荷载加载方式及纵横向折减等作出如下明确规定[5]:

(1) 汽车荷载分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级。

(2) 车道荷载与车辆荷载组成汽车荷载,均布荷载与集中荷载组成的车道荷载,用于计算桥梁结构的整体计算,车辆荷载用于计算桥梁结构的局部加载、桥台、涵洞以及挡土墙土压力等计算。与文献[4]中的规定一致,车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。

(3) 当二级公路是干线公路、重型车辆较多时,桥梁结构设计应遵循公路-Ⅰ级的汽车荷载;四级公路上重型车辆较少时,桥梁结构设计应遵循公路-Ⅱ级的车道荷载效应并乘以折减系数0.8,其车辆荷载的效应应乘以折减系数0.7。

公路桥涵的车道荷载计算示意如图3所示。

图3 车道荷载计算示意图

公路-Ⅰ级车道荷载中均布作用标准值qk为10.5 kN/m,桥梁计算跨径≤5 m时,集中作用标准值pk为180 kN;计算跨径≥50 m时,pk为360 kN;计算跨径在5～50 m时,pk取值采用直线内插求得[6]。计算剪力效应时,pk应乘以系数1.2。公路-Ⅱ级车道作用的均布荷与集中荷载标准值皆按照公路-Ⅰ级的0.75倍取用。

3 桥梁车辆荷载分析

3.1 大跨径桥梁交通调查

对桥梁及其周边路段交通进行调查,结果显示桥梁的周平均交通量约为77 400辆/d,最大交通量约为82 290辆/d,明显超过6车道高速公路的最大交通量适应值[7-8]。以交通调查结果为依据,对该大桥的车辆荷载模型进行研究分析。

大桥各个车道中各类车辆的比例见表1所列。

表1 各车道各类车辆比例 %

由表1可知,右车道上的货车占合计的60.89%,中车道上货车占合计的35.72%,左车道上货车占合计的10.74%,货车主要集中在1、6车道上,因此,选取右车道的车辆荷载作为大跨桥梁结构车辆荷载模型的分析数据。

3.2 各类车型车辆荷载标准值计算

在100年的设计基准期内,由公式FT(x)=[F(x)]36 500,可以求得各车型的车辆荷载标准值以及最大值,结果见表2所列。

表2 基准期内各车型车辆荷载标准值 kN

表3 不同跨径模拟主梁效应分布和参数表

表4 设计基准期内效应分布参数

3.3 大跨径桥梁结构设计荷载模型

如图4所示,对于大跨径桥梁结构的设计荷载模型可以采用中部均布荷载q1+两侧均布荷载q2进行分析,这样既可反映出两侧均布荷载随跨径增大而减少,又可以反映出重车在影响线峰值处的不利影响,形象直观、便于计算[9-10]。

图4 大跨径桥梁结构设计荷载模型

根据荷载效应等效原理,通过计算得到不同跨径下主梁车道作用的相关参数,结果见表5所列。

表5 不同跨径下主梁车道荷载参数

4 结束语

本文根据我国现行的设计规范中对桥梁车辆荷载及车道荷载的相关规定,针对具体工程路段,通过交通调查得到该路段的交通量,分析桥梁车辆荷载的构成,确定右车道为最不利效应车道,结合现行规范,得到车辆荷载的正态分布,模拟设计基准期内车辆的设计荷载计算模型,为大跨径桥梁车辆设计荷载研究提供依据。

[1] 戴 岩.中小跨径桥梁汽车设计荷载研究[D].西安：长安大学，2010.

[2] 周翔海.公路桥梁纵向折减系数研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[3] 党 栋.公路桥梁设计荷载及其组合研究[D].西安：长安大学，2012.

[4] CJJ 11-2011，城市桥梁设计规范[S].

[5] JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[6] 黄进军.公路桥梁规范汽车荷载效应比较研究[D].长沙：长沙理工大学，2008.

[7] 王 磊,张建仁.既有公路桥梁不同车辆荷载连续到达过程模拟[J].中外公路，2008，28(2)：83～88.

[8] 吴 腾,葛耀君,熊 洁,等.我国公路桥梁汽车荷载演变与比较[J].上海公路，2007(1)：37～41.

[9] 刘 英.基于汽车荷载适应性的角度探讨桥梁的设计[J].城市建筑，2012(15)：133.

[10] 吴 腾,葛耀君,熊 洁.现行国内外公路桥梁汽车荷载及其响应的比较[J].结构工程师，2008，24(5)：130～136.

2016-05-25；修改日期：2016-06-02

朱如松(1981-)，男，湖南双峰人，湖南省公路设计有限公司工程师．

U441.2

A

1673-5781(2016)03-0338-03