桥梁设计荷载及其组合形式研究

赵龙江，刘 波

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430014）

0 引言

桥梁荷载可以分为两种类型，分别为恒载和活载，其中恒载指的是桥梁自身结构产生的荷载，活载则表示桥梁上车辆和人群等可变因素产生的荷载，人群荷载相对车辆产生的荷载较小。近几年，随着经济的快速发展，车辆荷载以及道路交通量快速提高，这一现象也对桥梁设计荷载提出了更高的要求，而根据桥梁实际情况，通过桥梁设计荷载组合的方式对桥梁结构进行验算，能够有效提高桥梁设计指标，确保桥梁安全使用。

1 桥梁设计荷载组合必要性

1.1 提高桥梁安全性

安全是桥梁设计的重要前提，会直接影响桥梁交通运行效果，因此需要确保桥梁设计的安全性。尤其是在桥梁设计荷载组合中，要充分考虑安全因素，全面分析桥梁中存在的安全问题。在对交通情况进行全面了解之后，再实施桥梁设计荷载组合工作，根据荷载组合对结构受力情况进行控制，这种方式能够保证桥梁运行的安全性，同时，降低安全事故出现的概率，为今后桥梁设计工作提供基础条件。

1.2 增强桥梁耐久性

我国基础建设近几年得到了快速发展，桥梁建设项目建设规模不断扩大，项目建设成本也越来越高。而在桥梁设计荷载阶段，设计人员通过综合分析的方式，研究桥梁的使用年限以及耐久性等，在此基础上对各个要素进行统一设计处理，这一措施能够有效提高桥梁在实际使用中的耐久性。

1.3 提升桥梁适用性

桥梁施工项目建设需要达到相应的性能使用标准，因此在桥梁设计中，要对适用性因素进行全面分析。例如，在设计桥梁功能设计过程中，部分桥梁设计缺乏行人通道这一功能，这大大降低了桥梁的实际适用水平，导致功能欠缺。该种情况下实现桥梁设计荷载组合，科学选择组合形式，可以帮助桥梁设计达到相应的功能标准，最终达到提高桥梁适用性的目的。

桥梁作为我国重要的交通工程枢纽，在交通建设发展中具有非常重要的作用，荷载因素会直接影响桥梁建设质量，尤其是在当前我国交通运输量快速增加的情况下，汽车超载现象出现的概率上升，严重影响了桥梁的建设使用安全。这就需要在桥梁设计中，根据新版规范中的内容，实现桥梁设计荷载的科学组合。

2 桥梁设计荷载优化策略

2.1 全面调查交通荷载

桥梁交通荷载实际上具有较强的随机性，结合我国实际情况，可以通过公路车辆荷载调查的方式，掌握交通荷载车辆之间的间距、交通流量、交通车型等数据信息，建立真实可靠的数据样本信息。尤其是对于桥梁来说，大型重载车辆的通行数量较多时，就需要建立更加高效、简单、全面的交通荷载参数调查系统，进一步提高样本数据参数的完整性和真实性，为桥梁设计荷载工作提供数据支撑。

2.2 明确桥梁设计荷载分类

根据当前我国相关规范能够知道桥梁中具有永久作用、可变作用、偶然作用以及地震作用4 种类型的作用形式。永久作用指的是在桥梁设计以及施工中，运用永久性荷载设计方式，其中包括结构重力、混凝土收缩徐变、预加力、水浮力、基础变位作用以及土侧压力等，以上产生的荷载作用都属于永久性作用。而可变作用能够根据环境变化而发生变化，其中包含汽车荷载、汽车冲击力以及汽车离心力等，以上荷载具有较为明显的可变性。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车的碰撞作用，此类荷载具有很明显的偶然性。地震作用则在桥梁位于地震区，需要进行抗震设计时进行考虑。在桥梁设计荷载优化阶段，永久荷载的取值难度较低，各个项目都具有对应的数值信息，所以在桥梁设计荷载优化中，将可变作用荷载作为主要研究内容[1]。

2.3 加强桥梁荷载效应计算

桥梁在实际使用阶段，由于可变荷载作用的影响，自身荷载作用会发生一定的变化，进而影响结构内力。因此桥梁设计往往将内力最大值作为依据完成设计。影响线能够准确反映出内力与移动荷载变化之间的关系，利用有限元的方式计算影响线。在此过程中，最基础的条件就是确定单位以及指向，完成变化图的制作。除此之外，桥梁荷载效应计算还需要确定横向分布系数，横向分布系数通过转化的方式，将较为复杂的空间问题转变为平面问题，利用这种方式优化计算过程，提高计算准确性。这一计算结果能够更为准确地反映出荷载在桥梁横向的分布情况。目前常用的计算横向荷载分布系数的方法主要有杠杆法、刚性横梁法、刚接板梁法和比拟正交异性板法等。

3 荷载组合形式

3.1 汽车荷载及冲击力

我国桥梁设计规范中明确指出，荷载类型不同，其产生的作用也有所不同。而汽车荷载油分为车辆荷载与车道荷载，在计算桥梁结构过程中，若主要进行整体计算，则只考虑车道荷载进行；若主要进行结构局部计算，则只考虑车辆荷载。车辆荷载主要作用在桥梁的局部位置、桥台、涵洞以及挡土墙结构土压计算中。以上两种类型的荷载不能进行叠加处理，由于桥梁在我国交通体系中的占比较大，因此需要选择与道路等级相互适应的汽车荷载等级。在计算车辆冲击力的过程中，对于不同的桥梁结构，选择的冲击系数也不同，冲击系数根据桥梁结构的自身基频数据完成计算[2]。车道荷载计算如图1 所示。

图1 车道荷载计算

3.2 风荷载

风荷载是桥梁设计中的重要影响因素，非常容易受到地理环境、地形地貌以及桥梁结构形式的影响，因此针对受风荷载影响较大的桥梁，其桥梁设计荷载组合中需要充分考虑到风荷载因素。对其进行全面分析计算，最大程度上降低风荷载对桥梁实际运行产生的负面影响。在实际计算过程中，根据我国制定的相关标准，选择相应公式完成计算，确定风速参数的最大值，最终判断出风荷载可能产生的影响。例如，在桥梁施工阶段，充分考虑横向风以及纵向风、竖向风的组合，利用Vad=ηVd公式完成计算，其中Vad为不同重现期的设计风速；η 为风速重现期系数；Vd为设计基准风速，这种方式能够进一步提高桥梁运行的安全性。

3.3 温度荷载

对于桥梁来说，温度荷载会对其产生较大的影响，并且这一荷载影响因素无法消除，与桥梁所处环境具有非常紧密的联系。在环境以及日照的共同影响下，产生了温度荷载，尤其是在四季变化较为明显的地区，季节性温差较大，需要搜集等温线数据，再根据桥梁的实际情况，对其数据进行调整。通常情况下，对于季节性温差的考虑，需要将桥梁项目建设地区的海拔高程因素纳入其中，高程每增加100m，最低温度需要降低0.5℃，最高温度降低1℃。日照温差也会对桥梁各个梯度的温度产生影响，桥梁的断面形式不同，铺装类型也要进行相应调整。根据当前我国相关规范内容能够看出，在选择桥面铺装方式的过程中，要对温度变化因素给予全面分析，尤其是在昼夜温差较大的地区，保证桥梁最终性能能够达到相应标准，最大程度上降低温度荷载产生的负面影响。在我国桥梁设计过程中，大致将气候分区划分为3 个等级，分别为严寒区、寒冷区以及温热区，根据不同温度等级计算桥梁结构深度梯度效应[3]。

温度荷载计算具有抽象性的特点，地区不同，桥梁温度荷载之间的差异性较大，需要对最高有效温度和最低有效温度进行全面分析，桥梁结构的竖向温度梯度如图2 所示。其中H 为梁高，t 为混凝土桥面板的厚度，A 值大小根据H 的值确定。

图2 竖向梯度温度（单位：mm）

3.4 离心荷载

车辆驾驶平面曲线半径在250m 之内的情况下，需要计算汽车荷载离心力，桥梁设计中的离心力属于可变荷载，其计算公式为车辆荷载乘以离心力系数，离心力系数与平面曲线半径、设计时速具有非常紧密的联系。这也表示，半径和设计车速发生变化之后，离心力取值标准也会发生变化。

3.5 人群荷载

人群荷载效应在城市桥梁设计规范中进行了明确规定，针对仅仅具有步行功能的桥梁来说，行人荷载的数值为5kPa，如果桥梁上既能够通过行人，同时还可以行驶车辆，则行人荷载的取值最低为4.5kPa。从以上数值规定中能够看出，仅有行人通行的行人荷载数值较高[4]。

3.6 桥梁设计荷载组合

从我国交通部门发布的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中的内容能够看出，针对桥梁设计荷载作用以分类制定了明确规定，根据桥梁极限承载能力完成桥梁设计工作，其主要组合形式可以分为以下5种类型。

①基本可变荷载与永久性荷载，这也是桥梁设计荷载中较为基础的组合形式，在桥梁设计中得到了广泛运用。②在第一种组合形式的基础上增加可变荷载，该组合中后者可变荷载主要是由于其他因素影响产生。③将偶然因素导致的荷载与第一种组合形式相互结合。④在桥梁项目施工验算过程中，由于施工因素的影响，会产生附加荷载，其中包括结构自重、施工机械以及模板支架等，需要将其与第一种组合相互整合。⑤桥梁设计荷载中存在较多的影响因素，因此永久性荷载之间会产生相互影响，进而出现荷载效应，例如预应力以及外部环境产生的负面影响等。由于桥梁设计荷载的实际情况不同，不同类型荷载之间形成相应的组合，加上桥梁设计安全等级并不固定，这就需要调整桥梁设计荷载组合中的系数。针对这一情况，要根据桥梁实际情况选择相应的分项系数，再根据对应公式完成桥梁设计荷载组合效应计算，确保取值的合理性。

3.7 实际工程案例分析

本案例属于一级道路，为双向的四车道，驾驶速度80km/h，桥梁上平曲线半径250m，采用预制简支预应力混凝土桥面连续小箱梁结构。本案例中桥梁较长，由于桥梁运营期间会受到多种类型荷载的影响，因此需要保证桥梁设计荷载组合设计的规范性和有效性。设计人员针对桥梁设计荷载组合验算结果完成结构配筋设计，确保在桥梁受力结构能够达到相应条件，使其能够满足正常运行的需求。

针对这一桥梁建设项目，具体桥梁设计荷载组合形式为以下3 种：①永久性荷载。针对项目建设的上部与下部结构受力情况展开分析计算，在设计永久荷载阶段，将桥梁结构的自重、混凝土收缩徐变作为重点完成设计。②可变荷载。桥梁设计中，可变荷载的影响范围较大，其中主要包括车辆荷载、车辆冲击力荷载以及车辆离心力荷载等，因此需要从以上3 个方面入手，完成计算和分析。③地震荷载。本次桥梁建设项目区域地震烈度为Ⅷ级，要针对桥梁抗震性能进行分析计算。桥梁设计荷载组合中，按照荷载类型的不同，在极限条件之下分析荷载组合，这种方式能够保证在最不利于结构安全的条件下桥梁结构设计以及性能的稳定性，确保桥梁项目能够实现安全运行[5]。

4 结语

综上所述，我国交通行业得到了快速发展，并且交通建设水平能反映出一个地区的综合实力，其中桥梁项目的建设规模扩大，其荷载不断上升。这就要求在桥梁设计中，全面分析不同荷载产生的影响，确定桥梁设计荷载组合形式，通过这种方式控制桥梁的设计承载力，达到项目施工建设关于安全、耐久以及适用的标准。由此可以看出，优化桥梁设计荷载以及组合，对于我国交通建设领域的良好发展具有促进作用。