车辆荷载和车道荷载在桥梁设计中的对比研究

doi:10．16169/j．issn．1008－293x．k．2016．09．02车辆荷载和车道荷载在桥梁设计中的对比研究何余良吴旭东周昭欣(绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000)摘要:在公路桥涵设计时，汽车荷载分为车辆荷载和车道荷载两种形式，在《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021—89)中是要求应用车辆荷载对桥涵进行设计，而在《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)中则是要求采用车道荷载对桥涵进行设计．为研究新旧规范中不同的汽车荷载形式对实际桥涵工程设计的影响，文章通过实际算例采用两种不同汽车荷载形式进行验算，发现两种不同荷载形式对实际桥涵的内力计算有一定的影响．同时研究了在不同参数变化下两种汽车荷载形式对实际桥涵的内力计算的影响．计算结果表明，车道荷载在桥梁设计中相比于车辆荷载更偏于安全．关键词:桥梁工程;车辆荷载;车道荷载;横隔梁;主梁中图分类号:U442.5文献标志码:A文章编号:1008－293X(2016)09－0008－050引言自2004年交通部颁布并实施的《公路桥涵设计通用规范》［1］(JTGD60—2004)(以下简称新规范)以来，为了与1989年颁布实施的《公路桥涵设计通用规范》［2］(JTJ021—89)(以下简称旧规范)进行比较，国内学者做了许多关于新旧规范的不同对桥梁内力计算影响的研究．吴腾［3］通过实际算例比较了新旧规范中汽车荷载引起的简支桥挠度、弯矩、剪力的大小，认为它们会随着跨径的增大而增大．黄进军［4］建立了新旧规范汽车荷载作用在简支梁上的有限元模型，并引入效应比增量概念，分析得出弯矩效应比和剪力效应比是不连续的结果．梁鹏［5］采用动态规划法比较了新旧规范中简支梁的汽车荷载效应，并提供了在26种汽车荷载作用下简支梁汽车效应与公路—Ⅰ级效应相对比值的图形．由于我国公路桥涵设计规范在编写时参考了一些国外标准，因此一些学者也作了国内外相关规范的比较研究．阮怀圣［6］采用美国桥梁结构设计中HL—93设计汽车荷载对实桥进行荷载效应分析，并与我国新规范作对比，得出了影响荷载效应的因素．吴腾［7］比较了我国与欧美等国现行桥梁规范中的汽车荷载，认为我国规范中的汽车荷载引起的桥梁结构效应，在所比较的国家中处于中等水平．目前对新旧规范中关于汽车荷载作用下引起不同跨径的荷载效应比较研究较多，但对于新旧规范中由于主梁跨径和横隔梁数的变化，而引起的在不同汽车荷载作用下简支T梁内力影响的比较研究较少．本文结合邵旭东《桥梁工程》［8－9］两个版本中的主梁和横隔梁内力的典型算例，选取不同参数(跨径、横隔梁数)进行计算，通过比较计算结果得出相应结论，为桥梁设计人员提供参考．1汽车荷载及计算系数1.1汽车荷载形式在汽车荷载形式上，新旧规范有很大的区别．旧规范规定用一列汽车车队表示汽车荷载，分为四个等级:汽车－10级、汽车－15级、汽车－20级和汽车超－20级．对于一级公路，采用汽车－超20级、挂车－120;车队排列，对于二级公路采用汽车－20级、挂车－100车队排列．计算时选用汽车荷载，而挂车荷载用来验算第36卷第9期2016年12月绍兴文理学院学报JOURNALOFSHAOXINGUNIVERSITYVol.36No.9Dec.2016收稿日期:2016－05－27”作者简介:何余良(1977－)，男，江西鄱阳人，高级工程师，博士，研究方向:组合桥梁．ChaoXing是否符合设计要求．本文选取二级公路作为计算对象，选用汽车－20级为汽车荷载．车队的纵向排列和横向布置如图1和图2所示．新规范规定汽车荷载分为公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级两个等级，由车道荷载和车辆荷载组成．车道荷载由均布荷载和集中荷载组成，用于桥梁结构的整体计算;桥梁结构的局部加载采用车辆荷载．公路—Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为10.5kN/m．公路—Ⅰ级的集中荷载标准值Pk按计算跨径选取，计算跨径小于或等于5m时，Pk=180kN;计算跨径大于或等于50m时，Pk=360kN;介于5m和50m之间时Pk值采用直线内插法求得．在计算剪力效应时，Pk应乘以1.2倍的放大系数．公路—Ⅱ级的车道荷载，其均布荷载和集中荷载取公路—Ⅰ级车道荷载的0.75倍．为了和旧规范进行有效地比较，拟用公路—Ⅱ级进行计算．车道荷载的计算图如图3所示．图1汽车－20级纵向排列1.2冲击系数计算汽车以一定的速度通过桥梁结构时，会对桥梁产生冲击作用．旧规范中冲击系数μ仅与桥的跨径L有关，当L5m时，μ=0．03;L45m时，μ=0．新规范中冲击系数μ的计算比较复杂，与桥垮、刚度等因素有关，增加了计算的难度，但是更符合实际情况．新规范中冲击系数按照如下方式取值或计算:当f＜1.5时，μ=0．05;当1.5f14时，μ=0.1767lnf－0.0157;当f＞14时，μ=0．45．其中f为结构基频，Hz．车道数越多对于满车行驶的概率越小．为了在实际桥梁设计时避免浪费，随着桥梁车道数的增加，应对设计荷载进行折减，即乘以横向折减系数．新旧规范的横向折减系数相差不大，如表2所示．由表2可知，车道数大于2时，新规范的横向折减系数略小于旧规范．表2横向折减系数比较横向设计车道数1234旧规范－1.000.800.70新规范－1.000.780.67表3主梁、横隔梁及跨径布置m跨径主梁间距横隔梁间距161.64.9201.64.9251.64.9301.64.9351.64.9401.64.92算例邵旭东［8－9］编制的《桥梁工程》第2版和第3版中的列举算例，主要按照新旧两种规范进行计算，具有可比性．在进行桥梁设计计算时，一般只需要计算危险截面所在位置的内力，其他部分参照此截面进行设计．在具体桥梁结构设计中，跨中弯矩和支点剪力一般最大，算例主要计算跨中弯矩和支点剪力．算例的跨径选择16m至40m，主梁间距依据实际设计桥梁取值，横隔梁间距在4.85m～5.20m之间变化．表3给出了主梁、横隔梁和跨径的具体数据．选取简支T梁桥为计算对象，根据《公路桥涵设计通用规范》确定车道数为2，主梁采用5片梁式结构，主梁间距为1.6m，横隔梁数目由4片增加到9片，9第9期何余良，等:车辆荷载和车道荷载在桥梁设计中的对比研究ChaoXing间距不变．为了能更直观地了解横隔梁和主梁的布置情况，图4给出了跨径16m横隔梁纵断面，图5给出了跨径16m主梁横断面．图416m跨横隔梁纵断面图图5主梁横断面3参数研究本文算例是根据新旧规范相应条款进行的主梁和横隔梁的内力计算，其结果详见图6至图9．由图6和图7可见，随着跨径的增加，主梁的弯矩和剪力都逐渐增大，新规范计算的主梁弯矩增幅比旧规范大，而主梁剪力增减的幅度比较一致，表明在主梁间距不变的情况下，主梁的剪力随着跨径增大而01绍兴文理学院学报(自然科学)第36卷ChaoXing均匀地增大．通过新旧规范主梁内力的对比可知，按新规范设计的主梁弯矩比旧规范高11%～15%，剪力高8%～18%，这是因为新规范在计算剪力和弯矩时考虑的影响因素更多．由图6可知，新旧规范主梁弯矩差距有逐渐扩大的趋势，在25m跨径时弯距差距增加速度加快．从图7可以看出，新旧规范的主梁剪力差距呈现先减小后增大最后再减小的趋势．桥梁结构中一般采用设置横隔梁来提高主梁的横向刚度，横隔梁的数目决定了荷载的横向分布系数，对于布有多片横隔梁的桥梁结构，位于跨中的横隔梁承受荷载最大，通常只计算跨中的横隔梁的内力，其他横隔梁可以参照跨中横隔梁的内力进行设计．由图8和图9可见，新规范中横隔梁的内力是随着跨径的增大而增大的．在旧规范中，当跨径大于25m时，随着跨径的增大，横隔梁的弯矩变化不明显;而当跨径小于25m时，随着跨径的增大弯矩会有减小的趋势;当跨径大于20m时，随着跨径的增大，横隔梁的剪力变化不明显，而当跨径小于20m时，随着跨径的增大内力会有减小的趋势．由图8可知，跨径小于38m时旧规范横隔梁弯矩大于新规范．从图9可以看出，按新规范计算的剪力比旧规范高16%～41%，新旧规范横隔梁剪力差距有增大的趋势．出现上述情形是由于旧规范中按车辆荷载形式，横隔梁间距变化不明显情况下，对内力的传递分散比较均匀．4结语为研究新旧规范中不同的汽车荷载形式对实际桥涵工程设计的影响，本文通过实际算例，采用两种不同汽车荷载形式进行验算，得出如下结论:1)在相同主梁间距和横隔梁间距的情况下，跨径的变化对新旧规范主梁剪力的影响不明显;但在新规范中，跨径变化对主梁弯矩的影响大于旧规范．2)在简支T梁桥设计中，比较新旧规范内力的计算结果可知，按新规范设计的简支桥更偏于安全．参考文献:［1］关于批准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)及《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)强制性条文的函［J］.工程建设标准化，2004(3):1－10.［2］JTGD60—2004.公路桥涵设计通用规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.［3］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+5.［4］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.［5］梁鹏，龙涛，秦建国，等.我国桥梁汽车荷载演变及其效应分析［J］.公路，2011(11):86－94.［6］阮怀圣，马润平.美国公路桥梁设计规范中关于设计汽车荷载的研究［J］.世界桥梁，2012，40(1):65－69.［7］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.［8］邵旭东.桥梁工程［M］.2版．武汉:武汉理工大学出版社，2000:54－67．［9］邵旭东.桥梁工程［M］.3版．武汉:武汉理工大学出版社，2012:55－68．11第9期何余良，等:车辆荷载和车道荷载在桥梁设计中的对比研究ChaoXingComparisonofVehicleLoadandLaneLoadinDesignofBridgesHeYuliangWuXudongZhouZhaoxin(SchoolofCivilEngineering，ShaoxingUniversity，Shaoxing，Zhejiang312000)Abstract:Inthedesignofhighwaybridgesandculverts，thecarloadisdividedintotwoforms，i．e．thevehicleloadandthelaneload．TheoldspecificationGeneralSpecificationforDesignofHighwayBridgesandCulverts(JTJ021—89)appliedthevehicleloadinthedesignofbridgesandculverts，whereasthenewspecificationGen-eralSpecificationforDesignofHighwayBridgesandCulverts(JTGD60—2004)appliesthelaneloadinthede-signofbridgesandculverts．Inordertostudytheeffectsofdifferentvehicleloadformsontheactualbridgeengi-neeringdesignintheoldandnewcodes，thispaperusesapracticalexampletocalculatethetwodifferenttypesofvehicleload，findingthattheyhavecertaininfluenceontheinternalforceoftheactualbridgecalculation．Simulta-neously，thepaperstudiestheinfluenceofdifferentparametersoftwokindsofvehicleloadontheactu