公路桥梁新旧规范汽车荷载及效应对比研究

2016-06-05王汝志

工程与建设 2016年6期

关键词：跨径车道荷载

王汝志，汪莲

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

公路桥梁新旧规范汽车荷载及效应对比研究

王汝志，汪莲

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

文章对比分析了15规范、04规范在汽车荷载方面的异同，分别从汽车荷载标准值、横向车道布载系数、组合值系数等方面阐述新旧规范的规定。同时，选取我国公路桥梁常见标准跨径空心板梁为样本，将新旧规范的汽车荷载在这些样本桥梁上加载，得到简支板梁汽车荷载效应、内力组合、配筋量，并进行对比。研究结果表明，与旧规范相比，新规范对于中小跨径公路桥梁的设计汽车荷载显著增大，荷载组合更趋合理，桥梁安全储备更高。

公路桥梁；设计规范；汽车荷载；横向分布；组合值系数

0 引言

公路桥梁的安全性很大程度上取决于实际运营的汽车荷载大小，特别对于中小跨径桥梁而言，其恒活载比例较小，故桥梁规范中的设计汽车荷载直接影响结构的安全和适用。随着我国交通运输需求不断增大、公路重载车辆日益增多，原有04规范[1]的设计汽车荷载已难以适应实际运营汽车荷载。2008～2011年，中交公路规划院通过“桥梁设计荷载与安全鉴定荷载研究”项目，进行了全面汽车荷载现状调查和数据分析。先后获取了全国23个省市69个公路测站的实测汽车荷载数据近4 300万组[2]，并基于车辆荷载数据进行了大量计算。据此，交通运输部于2015年9月颁布的15规范[3]中对汽车荷载标准及相关参数，如分项系数、横向折减系数、组合值系数等进行了调整。

由于15规范实施时间尚短，对新规范下中小跨径桥梁汽车荷载效应的研究还很少。本文对比分析了新旧规范汽车荷载标准及相关参数的异同，同时基于新旧规范计算了跨径为10 m、13 m、16 m、20 m的预应力混凝土简支板梁的活载效应、内力组合和配筋，进一步研究新规范设计汽车荷载与实际运营汽车荷载的适应性。

1 公路汽车荷载标准

我国公路桥梁汽车荷载标准是基于实测数据确定的。到2015年为止，04规范已实施11年之久，我国公路桥梁运营汽车荷载日新月异，以实际运营汽车荷载效应与规范标准值效应之比作为对象进行统计比较，如图1所示。

图1 规范汽车与实际汽车荷载效应的适应性

图1表明，50 m跨径以内桥梁实际运营汽车荷载超越04规范汽车荷载标准的问题较为突出，因此，需要调整中小跨径桥梁汽车荷载标准以适应实际运营汽车荷载。鉴于04规范中汽车荷载模式具有形式简明、实用性强等优点，15规范在保留原有汽车荷载模式的基础上，对车道荷载[4]中的集中荷载进行了调整：提高了跨径在5 m以下的桥梁的汽车荷载，如表1所列，使跨径在50 m以内桥梁的设计汽车荷载有所增加。

表1 新旧规范公路-Ⅰ级汽车荷载规定

2 汽车荷载有关参数

2.1 汽车荷载分项系数

在承载能力极限状态验算中，汽车荷载效应应乘以相应的荷载分项系数，得到汽车荷载效应设计值。04规范中汽车荷载分项系数为1.4。全国汽车荷载研究中，轴重的统计结果显示，三联轴车辆数量逐渐增大且超载严重，对桥梁结构的局部安全产生很大影响。而在04规范中只有用于局部验算的双联轴车辆荷载规定，如图2所示。

图2 车辆荷载(尺寸单位：m，荷载单位：kN)

为确定三联轴轴组的重量标准，对全国轴重限值保证率进行了研究，结果表明，在04规范双轴组的基础上增加一个后轴为42 t的三轴组模型其保证率达到98.6%[2]。为了反映汽车轴载实际情况，且能维持规范的延续性，15规范仍采用04规范中的车辆荷载，只是按照42 t的三联轴效应与双联轴效应等效的原则，将车辆荷载分项系数由1.4提高到1.8。

2.2 横向车道布载系数

沿桥宽布置多车道汽车荷载时，应对汽车荷载进行折减，而当仅设置一条车道时，根据概率理论分析，应考虑汽车荷载的提高。调研发现，英、法、美等国均采用不同的方法对单车道汽车荷载进行了适当的提高[5]。

04规范中列出了2车道以上的横向车道布载系数(原为“横向折减系数”)，15规范在此基础上增列了单车道横向车道布载系数为1.2，如表2所列。单车道布载系数的提高使单车道桥梁的汽车荷载效应增加20%，提高结构物对偶然出现的超重车辆的承载能力。

表2 新旧规范多车道布载的横向系数

2.3 荷载组合值系数

桥梁在使用中会承受汽车荷载、人群荷载、风荷载等多种荷载作用，结构的安全性取决于设计使用年限内总荷载效应的最大值。由于各个作用不太可能同时达到标准值，故需采用荷载组合值系数对可能出现的最不利荷载进行组合。

《公路工程结构可靠度设计统一标准》[6](简称“标准”)和04规范中的荷载组合系数规定如表3所列，即荷载组合系数随荷载数目的增加而减小。根据上述荷载组合系数计算若干可变作用组合时结构的可靠指标[7]，结果表明，当荷载组合值系数随着可变荷载数目的增加而减小时，构件的可靠指标降低，这是不合理的。

为了保持不同数目荷载组合时，结构的可靠指标不变，并与《工程结构可靠性设计统一标准》[8]相协调，15规范将组合值系数统一取为0.75，由此计算得出桥梁结构在多重荷载作用下具有比较一致的可靠度。

表3 各规范中荷载组合值系数

3 预应力板桥设计汽车荷载效应对比

以标准跨径10～20 m的预应力混凝土简支空心板桥为研究对象，按照新旧规范公路-Ⅰ级汽车荷载分别施加单车道、双车道、三车道汽车荷载，考虑荷载纵横向折减和冲击作用，计算结构的荷载效应、内力组合和钢筋配置，并进行比较。

根据《公路桥梁结构上部构造系列通用设计图》确定10～20 m简支板梁跨中截面单块板(中板)的截面基本信息见图3、表4所示。桥面全宽11.25 m，由8块板组成。根据规范采用单车道宽度为3.75 m，最多可划分为三车道。主梁采用C50混凝土。

表4 单块板(中板)截面性质

图3 跨中截面示意图

3.1 汽车荷载效应对比

用铰接板法[9]计算各跨径空心板梁的汽车荷载横向分布系数，各车道横向分布系数应依据表2进行调增或折减。计算新旧规范汽车荷载作用下各跨径空心板梁跨中弯矩(考虑冲击作用和横向车道布载系数)如图4所示。

图4 新旧规范下汽车活载弯矩对比图

由图4可知，15规范对汽车荷载标准的调整使小跨径空心板梁的活载效应显著增大，且跨径越小，增值越大。其中单车道加载时，由于横向车道布载系数和汽车荷载标准的双重调增，使得15规范下各跨径简支板梁跨中弯矩效应较之04规范增大42%～60%；多车道加载时，由汽车荷载标准调增引起活载弯矩增大18%～33%。即与04规范相比，15规范提高了小跨径桥梁的设计汽车荷载，确保其在重载交通突出情况下的安全运营。

3.2 简支板桥内力及配筋计算对比

由于两车道加载时活载效应高于或近似等于三车道加载，故以两车道汽车荷载作为设计汽车荷载进行内力组合及配筋计算。

对桥梁永久作用及可变作用进行组合[10]。其中作用的基本组合与结构的承载能力极限状态设计密切相关。表5列出了基本组合弯矩效应。以10 m跨径板桥为例，15规范下桥梁内力明显增大，其中基本组合弯矩效应增大19.04%。

样本桥梁按部分预应力混凝土A类构件设计，根据构件抗裂性的要求以及作用频遇组合来估算各跨径简支板桥的预应力钢筋截面面积见表5。设计采用高强度低松弛预应力钢绞线，公称直径为15.2 mm，公称面积139 mm2。表5中按15规范估算的预应力钢筋面积比按04规范估算增加109.04 mm2至154.95 mm2，即新规范下相同跨径桥梁需增配1～2根预应力钢筋方符合抗裂验算要求。