简支空心板桥车辆荷载效应分析

许 莉，郑圣基（福州大学土木工程学院，福建福州350108）

简支空心板桥车辆荷载效应分析

许 莉，郑圣基
（福州大学土木工程学院，福建福州350108）

车辆荷载模式随着中国桥梁相关规范的更新进行了调整，以空心板桥为研究对象 ，利用Midas/ Civil建模分析。分别针对《城市桥梁设计准则》（CJJ1l-93）、《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77-98）和《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）3种不同时期发布的规范要求的标准车辆荷载进行加载，计算并分析新旧规范下的荷载组合效应差异，以及挠度和冲击系数之间的差别。研究结果表明，对于简支空心板桥，必须加强支座处抗剪验算；同时，在3种不同时期城市桥梁设计规范的标准车辆荷载（不计冲击力）作用下产生的挠度效应均能满足各自规范要求。

既有城市桥梁；城市桥梁规范；标准车辆荷载；荷载效应

简支空心板桥是梁式桥中应用最早、使用最广泛的桥型之一，随着城市建设的不断发展 ，城市道路交通量的日益增长，超重超限的车辆也不断涌现，给在役的中小跨径城市桥梁运营带来了巨大冲击［1-2］。因此，确定中小跨径既有城市空心板桥的适用性就显得尤为重要。

本文以简支空心板桥为研究对象，结合工程算例，采用有限元软件建立计算模型，分别采用桥梁初始设计规范“93”规范［3］以及“98”规范［4］和现行“11”规范［5］中的标准车辆荷载进行加载，通过分析承载能力极限状态下荷载组合效应差异，以及挠度、冲击系数之间的差别，探讨了按照该结构桥梁在新旧规范的标准车辆荷载效应作用下各控制截面产生的不同响应。

1 工程概况

某城市主干道跨河桥梁，初始设计计算荷载为汽-超20级，验算荷载为挂车-120，主桥上部结构为单跨装配式简支空心板梁，计算跨径取 L0= 15.46 m（支座中心距离）。桥梁总宽40 m，横向有35片主梁，该桥上部结构在横向上分为人行道、慢车道、机动车道5个部分，本文选取桥梁上部最不利的慢车道部分进行计算分析，该桥慢车道的横断面如图1所示。

图1 横断面图（单位:cm）

由于“98”、“11”规范［4-5］的材料参数取值均与初始设计“93”规范［3］一致。具体的取值结果如下:主梁采用30号混凝土，车行道桥面分别采用25号混凝土和沥青混凝土；普通钢筋主筋采用Ⅱ级钢筋，箍筋采用Ⅰ级钢筋；二期恒载为6.75 kN/m。

2 有限元模型的建立

本文利用有限元软件Midas/Civil［6-7］采用空间梁单元建立模型。该钢筋混凝土简支空心板的主梁采用空间梁单元模拟，模型中共有316个单元及235个节点 ，其长度单位为m，力的单位为kN，其它单位均由以上单位进行换算。模型截面和单元划分如下图2所示。

图2 钢筋混凝土简支空心板桥模型

3 模型的计算及结果

本文根据初始设计规范以及“98”和“11”规范［4-5］中规定的标准车辆荷载进行选取，并按要求布置在横桥向的最不利位置，利用有限元软件计算承载能力极限状态下荷载组合效应、主梁的挠度值以及冲击系数［8-9］。

3.1 荷载组合效应的比较

本文进行初始设计规范和“98”规范及“11”规范［4-5］规定的在标准车辆荷载模式相应荷载等级下的计算分析，并将“98”规范及现行“11”规范［4-5］分别与初始设计规范在承载能力极限状态设计时荷载组合效应进行比较，计算结果见表1、表2。

从表1可看出，“98”规范城-A级车辆荷载在承载能力极限状态下设计时的荷载组合与“93”规范汽车-超20级车辆荷载组合产生的结构响应基本一致。不同的等级荷载组合产生的跨中最大弯矩及支座最大剪力不同，相对于汽车-超20级而言，城-A级车辆荷载组合产生的跨中最大弯矩及支座最大剪力比它分别大4.9%和小0.5%；城-B级车辆荷载组合比它分别小5.6%和11.8%；城-A级车道荷载组合比它分别大2.3%和28.9%；城-B级车道荷载组合比它分别小1.1%和大10.1%。

表1 “98”规范与“93”规范荷载组合效应比

表2 “11”规范与“93”规范荷载组合效应比

由表2可看出，“11”规范城-B级车辆荷载在承载能力极限状态下设计时的荷载组合与“93”规范的汽车-超20级车辆荷载组合产生的结构响应基本一致 ，而特种平板挂车-160与挂车-120也基本相当。不同等级荷载组合产生的跨中最大弯矩及支座最大剪力也不同。相对于汽车-超20级而言，城-A级车辆荷载组合产生的跨中最大弯矩及支座最大剪力比它分别大6.2%和小3.3%；城-B级车辆荷载组合产生的跨中最大弯矩比它大2.9%，支座最大剪力一致；城-A级车道荷载组合比它分别大4.2%和41.7%；城-B级车道荷载组合比它分别小10.1%和大15.7%；另外，特种平板挂车-160比挂车-120分别大1.0%和小1.4%。

3.2 主梁挠度值的比较

由于初始设计“93”规范［3］与“98”、“11”规范［4-5］对恒载作用效应的考虑一致，因此在恒载作用下挠度值的计算结果也是一致的，因此，本文仅根据以上各个版本规范规定的可变荷载（不考虑冲击系数）作用下计算的挠度值进行比较分析 ，计算结果见表3、表4。

表3 “98”规范与“93”规范可变荷载效应挠度比

由表3可看出，“98”规范的车道及车辆荷载产生的挠度效应基本大于“93”规范的计算结果。相对于汽车-超20级而言，城-A级车辆荷载产生挠度值比它大15.5%；城-B级车辆荷载比它小15.8%；城-A级车道比它大54.3%；城-B级车道比它大14.3%。

表4 “11”规范与“93”规范可变荷载效应挠度比

从表4可看出，现行“11”规范的车道及车辆荷载产生的挠度效应基本较小于“93”规范的计算结果。相对于汽车-超20级而言，城-A级车辆产生挠度值比它大7.3%；城-B级车辆比它小8.3%；城-A级车道比它小10.7%；城-B级车道比它小33.0%；另外，特种平板挂车-160比汽 -超20小9.2%。

因此，由以上“98”规范及现行“11”规范与初始设计规范产生的挠度效应的比较可以得到，“93”规范的汽车-超20级产生的挠度值与“11”规范的城-A车辆荷载的计算结果基本一致。“98”规范除了城-B车辆荷载产生的挠度值比“93”规范的汽车-超20级的计算结果小，其余的均大14%以上；而现行“11”规范除了城-A级车辆荷载以外，其余的荷载等级均小8%以上。总体来说，该主干路的钢筋混凝土简支空心板桥在不同版本城市桥梁设计规范规定的标准车辆荷载（不计冲击力）作用下产生的挠度效应均能满足各自规范规定的挠度允许值L/600 =25.77 mm。

3.3 冲击系数的比较

本文对简支空心板桥分别采用初始设计规范、“98”规范和现行11城市桥梁设计规范［4-5］规定的冲击系数进行计算，计算结果及比较见表5。

表5冲击系数计算结果及比较

从表5中对于该钢筋混凝土简支空心板桥的结构在各个规范规定的冲击系数比较结果可以看出，“98”规范车道荷载的冲击系数比“93”规范小5.5%，而车辆荷载的冲击系数比“93”规范大39.0%，说明“98”规范车道荷载和车辆荷载的冲击系数分别考虑，结果的差别还是比较大。现行“11”规范对与车道荷载和车辆荷载的冲击系数没有分开考虑 ，其值比“93”规范大46.6%。

4 结 论

本文针对城市中小跨径的钢筋混凝土简支空心板桥介绍了在初始设计规范及“98”规范、现行11城市桥梁设计规范规定的材料参数下，利用有限元程序Midas/Civil进行建模，计算其承载能力极限状态下荷载组合，以及挠度、冲击系数，通过比较分析，从中可得以下结论:

（1）“98”规范城-A级车辆荷载及现行“11”规范城-B车辆荷载组合所引起的跨中最大弯矩组合及支座最大剪力组合与“93”规范的汽车-超20级车辆荷载组合产生的结构响应基本一致，与特种平板挂车-160与挂车-120也基本相当。因此，可近似为一个级别的承载能力荷载等级。

（2）新旧规范的荷载等级产生的相应结构响应有一定差异。“93”规范、“98”规范及现行“11”规范的荷载组合效应所引起的跨中最大弯矩及支座最大剪力均比初始设计规范的汽车-超20级荷载产生的结构响应要大。因此，在进行城市桥梁车辆荷载组合验算时，必须对现有结构型式的桥梁加强支座处的抗剪核算。

（3）对于主干道的桥梁来说，该钢筋混凝土简支空心板桥的初始设计汽-超20级荷载基本能满足“98”规范的城-A级车辆荷载及“11”规范的城-B车辆荷载组合的验算要求，而不能“98”规范及现行“11”规范规定的城-A级车道荷载的验算要求，这点值要引起有关部门的重视。

（4）“93”规范的汽车-超20级产生的挠度值与“11”规范的城 -A车辆荷载的计算结果基本一致。总体来说，该主干道的钢筋混凝土简支空心板桥在不同版本城市桥梁设计规范规定的标准车辆荷载（不计冲击力）作用下产生的挠度效应均能满足各自规范规定的挠度要求。

（5）对于该钢筋混凝土简支空心板桥的结构在各个规范规定的冲击系数比较结果可以看出，“98”规范车道荷载和车辆荷载的冲击系数分别考虑 ，结果的差别还是比较大，而现行“11”规范对与车道荷载和车辆荷载的冲击系数没有分开考虑，其值比“93”规范大。

［1］ Kozikowski M.WIM based live load model foe bridg reliability［D］.Nebraska:Dissertation to the University of Lincoln，2009.

［2］ Eugene J.Obrien，Bernard Enright.Modeling same-direction two-lane traffic for bridge loading［J］.Structural Safety，2011，33（4-5）:296-304.

［3］ 中华人民共和国建设部.CJJ11-93.城市桥梁设计准则［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993.

［4］ 中华人民共和国建设部.CJJ77-98.城市桥梁设计荷载标准［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［5］ 中华人民共和国建设部.CJJ11-2011.城市桥梁设计规范［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［6］ 邱顺冬，桂满树，姜毅荣.桥梁工程软件Midas/Civil应用工程实例［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［7］ 邱顺冬，郑海霞，桂满树，等.桥梁工程软件Midas/Civil常见问题解答［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［8］ Fu G K，You J.Extrapolation for future maximum load statistics［J］.Journal of Bridge Engineer，2011，16（4）:527-535.

［9］ LI Hongyi，Wekezer J，Kwasniewski L.Dynamic response of a highway bridge subjected to moving vehicle［J］.Journal of Bridge Engineering，2008，13（5）:439-448.

Research on Different Standard Vehicle Load Effect of Simply Supported Hollow Slab Bridges

XU Li，ZHENG Sheng-ji
（College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China）

The vehicle load patterns have changed along with the updating of Chinese bridge design codes.To investigate the different load effect combinations，deflections，and impact coefficients under old and new Chinese codes，simply supported hollow slab bridges were analyzed based on real engineering projects.The FEM software MIDAS/Civil was adopted to establish the numerical model.Different vehicle load patterns defined in 3 versions of Chinese bridge design codes，which are Code for Design of the Municipal Bridge（CJJ 11-93），The Standard of Loadings for the Municipal Bridge Design（CJJ 77-98），and Code for Design of the Municipal Bridge（CJJ 11-93），were used in the analyzing process. The difference of load effect combinations，deflections，and impact coefficients under the 3 versions were studied.The research result indicates that the shearing resistances of bridge bearings are essential for simply supported hollow slab bridges.The deflection effects of the different vehicle load patterns can respectively meet the requirements of the 3 codes.

existing municipal bridges；municipal bridge code；standard vehicle load；vehicle load effect

U448.42；TU997

A

1672—1144（2015）02—0007—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.002

2014-11-01

2014-12-10

福建省自然科学基金（2013J05072）

许 莉（1976—），女，福建福州人，博士 ，副教授 ，主要从事工作为桥梁工程教学与科研。E-mail:563083537@qq.com