对比分析中美巴公路桥梁设计规范荷载效应

钱亚萍 焦梦莹

摘 要：本文以中美巴公路桥梁工程设计规范为研究视角，对比分析三国桥梁工程设计的荷载效应。分析发现：桥梁恒载效应未存在较大差异;国内设计标准中，针对车辆荷载作用制定的设计标准，在结构性能上优于美巴设计标准。

关键词：荷载效应;桥梁设计;规范对比

0 引言

美国的经济发展在国际上首屈一指，其交通运输是提升美国经济发展的关键产业。国内经济实力追赶美国的过程中，桥梁工程设计规范问题逐渐凸显。国内现阶段以一带一路发展战略为核心，极大程度地影响着巴基斯坦。因此，对比中美巴桥梁设计规范，具有研究意义。

1 工程建设基础信息

以某高速公路为研究视角，公路全长39.3公里，建设标准设计为：设计行驶速度为每小时100千米，双向四车道通行标准，路基宽度参数设计为24.5米。在桥梁设计期间，以国内设计标准为核心，同时考量美标、巴基斯坦的荷载设计规定，以此完成荷载对比分析。

2 对比中美桥梁工程的设计方法

2.1 中国桥梁设计规范

中国在桥梁工程设计规范中，是以概率论为核心，以极限状态作为设计方向。关系式①y0S≤R。公式中字母表达含义：y0对应桥梁结构体系中的关键参数，依据公路桥涵安全设计标准为基础，一级设计标准安全等级取值为1.1，二级设计标准安全等级取值为1.0，三级设计标准安全等级取值为0.9;S表示交通工具对桥梁工程产生的荷载效应，作为组合设计参数;R表示桥梁工程各部分构件的承受能力设计参数[1]。

2.2 美国桥梁设计规范

美国在桥梁结构设计的标准内容，是以桥梁结构稳定性相关理论为设计方向，设计思路为“荷载对应抗力系统”。设计标准关系式为②Wn≤φRn。关系式中字母表达含义：Wn表示的是桥梁结构承受交通工具的荷载效应设计组合值;R0表示结构抗力的设计标准参数，取决于材料自身强度属性;φ表示的是桥梁结构在对抗车辆荷载时，自身性能将会发生折减，此参数为折减系数，取值范围[0.7，0.9]。

3 确定桥梁工程梁体结构设计内容

在研究项目中，路基宽度参数设计标准为24.5米，具体包括两组车道，每组车道的设计米数为24.5/2=12.25米，每组车道设计内容为：左、右侧护栏宽度均为0.5米、行车道宽度为11.25米。单幅桥上部结构设计了6组简支模型梁结构，每组梁结构的间距参数设计为2米，湿接缝参数设计为0.39米，三种简支模型的具体设计方案如下：设桥梁工程的跨径参数为L、跨径计算初始值LO、高度h、截面积a、截面惯性矩i。

（1）方案一：L=25米时，LO=24米、h=1.7米、a=0.776 8平方米，i=0.269 m4。

（2）方案二：L=30米时，LO=28.91米、h=2.01米、a=0.842 8平方米，i=0.417 3 m4。

（3）方案三：跨L=40米时，LO=38.82米、h=2.52米、积a=1.090 7平方米，i=0.923 7 m4。

4 中美巴桥梁工程荷载效应对比分析

4.1 恒载

恒载参数包括两类参数，其一为梁结构自身重量，其二为桥面铺装、护栏等附加装置的质量。桥梁结构建设时，设计混凝土材料使用标准为26 kN/m3。

4.2 车辆荷载设计标准

4.2.1 中国桥梁工程荷载设计标准

国内对于车辆荷载设计，给予了两个等级的设计标准。车辆荷载参数的组成，包括车道、车辆两个方面的荷载组成。车道荷载参数包括：均布、集中两类荷载参数。公路一级车道，在计算其荷载均布设计标准时，参数设计为q=10.5 kN/m。集中荷载设计标准参数p在选择时，假设桥梁跨径参数为Lo，应符合如下规定：

（1）Lo<5米，p=270 kN。

（2）Lo>50米，p=360 kN。

（3）Lo取值[5，50]米，p值应采取直线内插方式完成计算。

（4）交通工程剪力效应=集中荷载设计标准参数×1.2。

4.2.2 美国桥梁工程荷载设计标准

美国关于路桥结构设计规范中，确定了车辆荷载的设计等级为HL-93，荷载组合包括：货车、双轴设计;车道荷载。活载效应取值时，参考双轴、车道、火车等荷载情况。大型交通工具前轴自身重量的设计方法为35 kN，两个后轴质量取值为145 kN，两个后軸间距取值为[4.3，9.0]米。在桥横向荷载设计期间，车道荷载均分布在宽度为3米的区域内，不计入动荷载冲击情况产生的影响，车道数设计参数为W/3.6，W计算形式参考公式②。

4.2.3 巴基斯坦桥梁工程荷载设计标准

巴基斯坦桥梁设计标准中，关于车辆荷载给予了设计规定，此项荷载包括两个等级，车辆荷载级别为一个A，军事坦克荷载级别为两个A。结合工程项目的建设需求，以军事坦克为计算方向，完成工程荷载性能验算。以履带荷载作为荷载施加形式，确定履带轴自身重量为700 kN，两辆坦克在陆续进入桥梁工程时，间距应大于91.6米。军事坦克在完全通过桥梁工程时，应当开展交通管制，严禁其他车辆通行，保障桥梁水平方向仅有一辆坦克通行。

4.3 对比分析中美巴三国桥梁工程结构的折减系数

中美巴三国路桥工程设计标准，在2个车道水平方向的折减系数均取值为1.0。

4.4 对比分析中美巴三国桥梁结构的冲击系数

如表1所示，为荷载冲击系数的取值对比结果，由此发现，三国针对冲击系数选择时，巴基斯坦具有统一性，美国系数选择较高，中国系数选择保留了三位小数，相比美巴更为精确[2]。

4.5 对比分析中美巴三国桥梁工程的车辆荷载设计方法

如表2所示，在三种跨径长度设计方案中，美巴桥梁工程跨径支点最大剪力值F具有相似性，展现出中国标准的荷载优势：25 m时，美国F=281.2 kN，巴基斯坦F=287.2，中国桥梁工程标准的设计值达到了457.88，相比美国高出62.83%，相比巴斯斯坦高出59.43%;同时，在30米、40米时，中国设计标准，同样高出美巴设计标准至少50%。

经对比分析发现：中国桥梁工程设计标准，相比美巴桥梁工程设计标准更能保障路桥结构稳定性，在大型交通工具通行时，能够保障更大荷载通行，以此奠定了国内桥梁设计的先进地位;中国路桥设计标准，有助于提升国内交通运输行业有序发展。

5 结论

综上所述，以某高速桥梁为研究视角，对比中美巴三国的桥梁设计标准，分别从荷载效应、车辆荷载作用系数设计等方面完成对比分析。研究发现：桥梁恒载效应不具有较大差异，分项系数处于相似状态，国内设计标准取值为1.2，美巴设计标准取值为1.25;国内设计标准中，针对车辆荷载作用制定的设计标准，在结构性能上高于美巴，由此确定了国内桥梁结构设计的领先地位。

参考文献：

[1]交通运输部关于《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T2231-01—2020）的解读[J].城市道桥与防洪，2020（10）：222-223.

[2]黄侨，关健，梁程亮.中美欧公路桥梁设计规范汽车荷载及作用效应对比研究[J].公路交通科技，2020，37（7）：62-71.