冲击系数对桥梁汽车荷载效应的影响分析

邓 果

我国目前使用的公路与城市桥梁大部分是按JTJ 021-89公路桥涵设计通用规范的汽车设计荷载标准设计的,1997年的JTJ 001-97公路工程技术标准对设计标准作了局部修改,从1998年1月后公路桥梁按此新标准设计。从1998年12月后城市桥梁按CJJ 77-98城市桥梁荷载设计标准设计。多标准应用造成设计工作量的增加是当前有待解决的问题。同时,影响桥梁汽车荷载效应的因素有很多,除了交通流量本身的变化对其的影响外,桥梁的跨度、宽度、冲击系数等对汽车荷载效应的影响也比较大。本文将以简支梁桥和连续梁桥为研究对象,研究桥梁跨度、跨数、宽度和冲击系数等对汽车荷载效应的影响。

1 冲击系数概述

汽车的冲击系数是汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数,汽车荷载的冲击系数可表示为[1]:

其中,Ydmax为在汽车过桥时测得的效应时间历程曲线上最大静力效应处测得的最大静力效应值;Yjmax为在汽车过桥时测得的效应时间历程曲线上最大动力效应处测得的最大动力效应值。

效应值可以取最大挠度位置竖向位移的变化来描述,称为位移冲击系数,也可以通过控制截面的应变来计算,称为应变冲击系数。二者都是用来表现由于汽车的动力冲击作用使桥梁产生的动态增量。瑞士的EMPA实验室自1924年以来对移动荷载的冲击系数进行了十分深入和系统的实验研究,基于大量的实测数据指出车辆振动本质上是一种强迫共振现象,用放大谱来计算冲击效应,即把冲击系数定义为桥梁固有频率的函数来代替现行的按跨度递减的冲击系数公式更为合理。1979年,加拿大安大略省规范(Ontario Code)率先接受了这一新概念,建立了放大谱的新规定,1982年又根据新的实测资料作了进一步的修改。在我国JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范中也改用了这一计算方法。

目前,世界各国公路桥梁设计规范对冲击系数的计算公式多数仅以桥梁计算跨径L作为参数,按L的递减函数进行计算。

2 冲击效应计算比较

2.1 国内桥梁规范中简支梁桥汽车冲击系数的计算方法

1)JTJ 021-89公路桥涵通用设计规范。

L≤5 m时,μ=0.30;L≥45 m 时,μ=0;5 m＜L＜45 m时,

2)JTG D60-2004公路桥涵通用设计规范。

当 f＜1.5 Hz时,μ=0.05;当 1.5 Hz≤f≤14 Hz时,μ=0.176 7lnf-0.015 7;当 f＞14 Hz时,μ=0.45。

3)CJJ 77-98城市桥梁荷载设计标准。

2.2 冲击系数的计算结果比较

本文选用公路交通行业里常用的简支空心板桥的标准图,用三种冲击系数计算方法计算了公路桥梁中6 m～25 m标准跨径简支空心板桥的冲击系数,并比较了计入冲击效应的荷载效应与不计冲击效应的荷载效应,计算结果见表1,图1～图 4。

表1 三种规范简支空心板桥冲击系数

综合有关文献[6]～[9]及表1,图1～图 4可知,以桥梁计算跨径L作为参数,按L的递减函数来计算的89规范和城市桥梁荷载设计标准冲击系数均小于按结构基频的方法来计算的04规范,跨度越小,两者之间的差别越大。

其中,在6 m跨时,89规范比04规范小53.6%,98标准比04规范小93.1%。在25 m跨时,89规范比04规范小46.7%,98标准比04规范小15.8%。三种规范的冲击系数结果有随着跨度的增大而慢慢接近的趋势。但是,89规范的冲击系数计算公式规定跨度大于45 m时,冲击系数等于零,这与实际情况不相符;而04规范以结构基频来计算冲击系数避免了这种情况的发生。04规范汽车荷载对89规范、城市桥梁荷载设计标准中汽车荷载的效应比在计入冲击系数之后会不同程度的提高,提高幅度在2%～19%。

3 结语

1)本文主要分析冲击系数对桥梁汽车荷载效应的影响,为分析桥梁汽车荷载效应的影响因素提供参考,为设计人员选用一种标准进行分析计算,达到保证设计质量、提高设计效率的目的提供帮助。2)本文主要针对中小跨径桥梁进行比较,大跨度桥梁的汽车荷载效应比较分析有待进一步的分析和研究。3)本文对汽车荷载效应进行比较时,主要采用的是89规范、04规范以及98城标中的汽车荷载模式进行分析,对国外规范采用的汽车荷载效应未进行比较计算,还需要进一步计算和研究。

[1] JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[2] CJJ 77-98,城市桥梁设计荷载标准[S].

[3] JTJ 021-89,公路桥涵设计通用规范[S].

[4] JTJ 001-97,公路工程技术标准[S].

[5] JTG B01-2003,公路工程技术标准[S].

[6] 鲍卫刚,张海龙,刘菊玖.关于桥梁所承受的冲击力计算方法的研究[J].桥梁建设,2000(1):24-26.

[7] 宋一凡,贺栓海.公路桥梁冲击系数的影响因素分析[J].西安公路交通大学学报,2001(4):47-49.

[8] 秦向杰,葛 斌.桥梁冲击系数按结构频率的计算研究[J].山西建筑,2007,33(10):316-317.

[9] 王海城,施尚伟.桥梁冲击系数影响因素分析及偏差成因[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2007(10):25-28.