新建公路桥梁上跨高速铁路汽车荷载研究

乔晋姿

（中铁上海设计院集团有限公司，上海市 200070）

0 背景

为进一步贯彻落实党中央、国务院对“7.23”甬温线列车追尾特大事故作出的重要指示精神，2011年7月铁道部提出了对高速铁路技术标准进行梳理的要求，建设司委托我院开展了“新建公路桥梁上跨高速铁路防护安全技术标准”课题研究及纳规工作。

1 概述

1.1 上跨高速铁路立交桥现状

截止2011年底，全国各铁路范围内上跨铁路的立交桥共计5 318座，其中的上跨桥已达784座。结合课题研究，对784座上跨桥进行了深入调查，并进行了分类统计。以建设标准区分，公路I级、II级、城市道路分别占 10.6%、23.0%、9.2%，共42.9%。以主跨区分，跨径L＜20 m的小桥占全部上跨桥的46.9%；跨径20～30 m、30～40 m的中桥分别占全部上跨桥的32.7%和5.9%。以结构类型区分，空心板梁约48%、简支箱梁约24%。

总的来看，基本遵循了与高铁同期建设的原则，但设计标准多、结构类型杂、防护措施参差不齐。

1.2 我国汽车超载现状

根据交通部公路科学研究所对山西、河北、河南三省的调研，几乎所有干线公路均存在汽车车辆超载的现象，且超载程度十分严重，已经达到了额定承载的2～3倍。超载现象的出现，不但反映了汽车运输的无序性，从另一个侧面也反映了大宗货物运输的需求。因超载酿成桥梁垮塌事故时有发生，如若发生在高速铁路上，后果不堪设想。

2 汽车荷载

对于汽车荷载取值，我国公路、城市桥梁规范不尽相同，且与国外规范存在较大差异。

2.1 我国公路汽车荷载

公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）规定：公路汽车荷载分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级，包括车道荷载和车辆荷载，两者作用不得叠加。其中公路-Ⅰ级车道荷载均布荷载标准值qk＝10.5 kN/m；集中荷载标准值，当桥梁计算跨径小于或等于5 m时Pk＝180 kN，当桥梁计算跨径等于或大于50 m时Pk＝360 kN；其余Pk值采用直线内插。计算剪力效应时，集中荷载标准值应乘1.2的系数。

车辆荷载总重550 kN，车长15 m，车宽2.5 m，纵向轴距3 m+1.4 m+7 m+1.4 m，横向轮距1.8 m。

2.2 我国城市桥梁汽车荷载

城市桥梁设计规范（CJJ 11-2011）规定：城市桥梁汽车荷载分为城-A级和城-B级，包括车道荷载和车辆荷载，两者作用不得叠加。其中城-A级车道荷载同公路-Ⅰ级。

车辆荷载总重700 kN，车长18 m，车宽2.5 m，纵向轴距3.6m+1.2 m+6m+7.2m，横向轮距1.8 m。

2.3 美国公路规范（AASHTO）汽车荷载

美国汽车活载为货车荷载（或双轴汽车荷载）与车道荷载的组合。车道荷载为9.3 kN/m的均布荷载，不考虑冲击系数。货车荷载设计值前轴重35 kN，后两轴重145 kN，纵向轴距4.3 m和4.3～9.0 m。双轴汽车荷载为一对110 kN的车轮荷载，纵向轮距1.2 m，横向轮距1.8 m。

设计时采用以下三种情况中最大者：（1）双轴汽车荷载效应与设计车道荷载效应的叠加；（2）一辆货车荷载效应与设计车道荷载效应的叠加；（3）两辆货车与另一辆货车后轴最小间距为15 m时荷载效应的90%与设计车道荷载效应的90%叠加，此时每辆货车的后轮轴距取4.3 m。

2.4 英国规范（BS5400）汽车荷载

汽车活载包括HA和HB两种，HA荷载代表英国常规汽车荷载，HB为特殊单元荷载。

HA荷载包括布荷载（UDL）加一个集中荷载（KEL）。当荷载长度L≤30 m时，UDL=30 kN/m；当 L＞30 m时，UDL=151（1/L）0.475kN/m，但不小于9 kN/m。集中荷载KEL=120 kN。

HB荷载为特殊车辆荷载，为4个轴16个车轮的车载。一个单位的HB荷载为每个轮重2.5 kN，每个轴重4×2.5=10 kN。HB荷载最小为25个单位，如有确切的依据时可增加到45个单位。车辆总宽度为3.5m，总长度按最不利效应分别取10m、15 m、20 m、25 m或30 m，其对应的两内轴间隔分别取6 m、11 m、16 m、21 m或26 m。

整体计算中BS5400选用单独的HA荷载、HA荷载与HB荷载组合两种情况进行分析计算。

2.5 各规范汽车荷载比较

（1）我国公路桥梁和城市桥梁均采用相同的车道荷载规定；公路桥梁车辆荷载重力标准值550 kN，城-A级车辆荷载 700 kN，城-A级最大轴重及总重均大于公路桥梁车辆荷载。

（2）美国规范活载取值高出我国规范活载20%左右。

（3）英国BS5400中HA荷载与我国公路规范车道荷载相似，HB荷载与我国公路规范车辆荷载相似；BS5400中HA和HB荷载可同时进行组合，而我国公路规范的车道荷载和车辆荷载的作用不叠加。而且BS5400中汽车荷载的分项系数取值标准高于JTG D60。对于常用跨径桥梁而言，按BS5400比按JTG D60规范取值上，同等跨度其效应高出30%以上。

3 我国治超现状

对于汽车超载，我国制定了系列治理超载政策及处罚措施。

3.1 治超政策

交通部、公安部等七部委联合下发（交公路发〔2004〕219号）文件中对 2轴、3轴、4轴、5轴、6轴及以上限超载率的限值分别为17.6%、15.4%、8.1%、16.3%、12.2%，其中最大超载率达到17.6%。

计重收费政策各地大同小异，其中对超限装载小于30%的部分按基本费率收取；超限装载大于30%的部分按基本费率的1～6倍收取。收费政策从另外一个侧面反应出30%以下的超载是常见现象。

3.2 治超条件限制下汽车荷载效应

根据广深高速、107国道和虎门大桥东引桥治超55 t限载条件下汽车荷载效应计算分析，实际车流与公路-Ⅰ级的简支梁最大正弯矩荷载效应比值分别为 1.06～1.15、0.9～1.21、0.82～1.05。由此可见，即使在治超政策规定的限制标准内，一般运行状态车队（实际车流）在中小跨径桥梁中所产生的荷载效应最大达到了公路-Ⅰ级荷载效应的121%。

4 上跨桥设计汽车荷载标准提高系数

通过对我国现行公路、市政桥梁规范及美国、英国桥梁规范中汽车荷载效应的综合对比分析，结合我国常见的超载现象及治超政策规定，上跨桥的汽车荷载标准可在现行规范规定的基础上，提高30%作为基本的提高系数，理由如下：

（1）我国桥梁的设计荷载均低于美英等发达国家，采用1.3的提高系数也仅与英国基本持平。从长远的发展观点来看，我国的标准应逐渐向国际水平靠近。

（2）按照现行治超政策规定，拟合车流产生的桥梁荷载效应已超出公路-Ⅰ级荷载效应的21%，考虑到适当的安全储备，在设计时采用1.3的提高系数，略偏安全。

（3）采用该值与国内对现行规范中关于“汽车荷载”修改的呼声相一致。例如，《河南省高速公路设计技术要求》规定:高速公路和特大桥梁、特殊桥梁的车道荷载均布荷载标准值qk、集中荷载标准值Pk和车辆荷载按公路-I级的1.3倍设计。

（4）针对跨径20～40 m简支箱梁，取桥面净宽7 m，双向2车道，当公路-Ⅰ级荷载提高1.3倍后，荷载效应增大5%～14%。

5 技术经济分析

为了从宏观上了解上跨桥提高汽车活载系数后经济性方面的差别，以交通部40 m装配式简支小箱梁（桥面宽13 m，单向3车道）和合蚌客专五湖大道上跨立交桥主跨25 m+35 m+25 m连续梁（桥面宽24 m，单向4车道）为例，按不同安全等级、汽车荷载取值，通过对梁高、预应力调整等措施满足同等可靠度情况下，进行了分析。

5.1 经济性分析

调整前后经济指标见表1、表2。

由表1可以看出，对于40 m小箱梁，当梁高不变，结构重要性系数由1.0提高到1.1、汽车活载提高系数由1.0提高到1.3时，仅通过预应力调整时，结构不满足规范要求，需同时调整梁高和预应力。当梁高由2.25增加至2.4 m，预应力钢筋增加时，混凝土量增加4.2%，预应力钢筋增加14.3%。

表1 交通部40 m装配式简支小箱梁经济指标（桥面宽13 m）

表2 合蚌五湖大道（25+35+25）m连续梁经济指标（桥面宽24 m）

由表2可以看出，对于25 m+35 m+25 m连续箱梁，当梁高不变，结构重要性系统由1.0提高到1.1、汽车活载提高系数由1.0提高到1.3时，预应力钢筋增加7.2%。

5.2 可靠度分析

可靠指标β值是衡量结构可靠度的数值指标，β值越大，失效概率pf越小，结构越可靠。工程上结构可靠度分析的实用方法有中心点法和验算点法。

表3为《公路工程结构可靠性设计统一标准》（GB 50153-2008）规定的最低可靠度指标。参照上述40 m简支小箱梁和25 m+35 m+25 m连续箱梁计算结果，进行可靠度研究，结果见表4～表5。

表3 公路桥梁设计规范的目标可靠指标

表4 40m简支小箱梁正截面抗弯承载力可靠度指标（预应力调整）

表5 25m+35m+25m连续箱梁正截面抗弯承载力可靠度指标（预应力调整）

（1）以40 m简支小箱梁中梁为例

当梁高由2.25 m增加至2.4 m、预应力调整后、重要性系数和活载不提高时，中梁可靠指标β为6.72；当重要性系数提高到1.1、活载提高到1.3时，中梁可靠指标β为6.15；降幅为8.48%，大于规范允许值4.7，结构可靠度满足规范要求。

（2）以25 m+35 m+25 m连续箱梁为例

当重要性系数提高到1.1、活载提高到1.3且预应力调整后，可靠度指标β从7.47下降到6.88，降幅为7.90%，大于规范允许值4.7，结构可靠度满足规范要求。

6 研究结论

（1）新建公路（城市道路）上跨高速铁路立交桥主跨及相邻两边跨桥梁结构汽车荷载采用相应标准设计荷载的1.3倍。位于城市人口稠密、交通繁忙或超载严重的地区，汽车设计荷载可根据实际情况进一步提高。

（2）结构重要性系数由1.0提高到1.1、汽车活载提高系数由1.0提高到1.3时，混凝土或预应力增加比例较小，工程量稍有增加即可保证足够的安全度，投资增加有限，但对上跨桥承载能力的提高却极为明显。

（3）研究结果“汽车荷载采用相应标准设计荷载的1.3倍。位于城市人口稠密、交通繁忙或超载严重的地区，汽车设计荷载可根据实际情况进一步提高。”已纳入《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009）和《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂规（200 km部分）》（铁建设【2005】140号）两规范修编计划。

[1]吴滕,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(5):130-136.

[2]徐凯.现行公路桥梁设计汽车荷载适应性研究[D].陕西西安:长安大学,2010.

[3]中铁上海设计院集团有限公司.新建公路桥梁上跨高速铁路防护安全技术标准研究报告[R].上海:中铁上海设计院集团有限公司,2013.