从汽车荷载适用性角度研讨公路桥梁设计的方法

刘伟

（沧州双盛公路工程咨询有限公司,河北 沧州 061000）

从汽车荷载适用性角度研讨公路桥梁设计的方法

刘伟

（沧州双盛公路工程咨询有限公司,河北 沧州 061000）

研究如何解决汽车荷载适用性问题，是公路桥梁设计的要点之一，尤其是超载超限威胁性因素的消除,更是设计工作的重点。论文通过调查，了解各种重型运输工具的设计参数，进而以某公路桥梁工程为例，深入研讨从汽车荷载适用性角度的公路桥梁设计方法。

汽车荷载;适用性;公路桥梁;设计

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.037

1 公路桥梁设计相关的重型运输工具参数

相比于普通运输工具，高强功率和重载的运输车辆，是未来公路桥梁必须适应的参数对象。在20世纪50年代，重型运输工具的功率最大值是150kW，80年代上升了290kW，大约增加2倍有余。另外，据其他预测参数，40年后的重型运输工具功率值可能会攀升至740kW。综合这些参数，归纳了公路桥梁设计相关的全部重型运输工具参数，见表1。

表1 公路桥梁设计相关的重型运输工具参数

根据以上的重型运输工具参数，援引为公路桥梁设计的参考佐证，侧面反映出重型运输工具在公路桥梁设计中的严格要求，也体现出公路桥梁荷载设计的重要性。

2 公路桥梁荷载设计的案例研究

为满足以上不同类型重型运输工具的荷载需求，公路桥梁的设计，从汽车荷载适应性的角度出发，结合以上的公路桥

梁工程案例，深入研讨该桥梁荷载设计的方法。

2.1 案例情况

某跨度60m的公路桥梁，有两车道，梁体高度为1.6m，支架由混凝土灌注成型，其平面结构状态见图1。图1案例桥梁平面结构

图1 案例桥梁平面结构

主梁混凝土等级C40，重度26kN/m3，材料质量计入一期恒载。二期恒载则包括桥面铺装层和防撞墙的质量，其中桥面铺装层的混凝土重度为21.6kN/m3，防撞墙的混凝土重度为20kN/m3。

为掌握案例公路桥梁的汽车荷载适用性状态，结合关于该桥梁通过车辆荷载效应的数据资料[1]，掌握桥梁在不同时间段的车流量状态，数据信息见图2。

图2 桥梁实测交通分布状态

通过的车辆中，有26%属于客车，有11%属于货车，有63%属于轿车，两轴车辆占33%，三轴车辆占15%，四轴车辆占36%，五轴车辆占4%，六轴车辆占12%。

2.2 测点布置及建模计算

用于检测桥梁结构动应变的测点，分别布置在桥梁结构侧面墩顶两边的上弦杆位置，其中上游侧2个，下游侧2个，节点编号情况见图3。

图3 桥梁结构动应变测点布置

在测点布置的基础上，开始进行建模计算，目的是掌握计入冲击的荷载效应，并对应测点反映的应变数据，进而得出较为精准的结构内力值。关于建模计算，本次桥梁设计采用有限元模型计算方式。其中内力值的校正，其参考公式是计算内力值与校正系数的乘积[2]。在计算时，校正系数的确定难度比较大，要求借助已明确车辆类型和载重大小的货车，沿着指定的路线，往返数次匀速经过，然后实时记录该辆货车所产生结构内力值。在此基础上，加载桥梁结构的有限元模型，计算出结构的内力值，最后根据实测的结构内力值和计算的结构内力值的比值，得出校正系数。实测所用运输工具规格见图4。

图4 实测所用运输工具 (单位:m)

通过有限元分析，分别得出每个测点的计算轴力、计算应变和校正应变，计入冲击条件下，将动应变最大值数据和应变数值比等，作为桥梁设计统计分析的对象，综合24h的实测，完成汽车荷载效应的分布形态，为桥梁设计提供科学合理的依据。

2.3 荷载效应计算

图5 密集运行状态车间距

荷载效应计算，是在测点布置和建模计算的基础上，借用动态称重系统设备，测量出车辆运行过程中的实时数据，其中在密集运行状态时，最能体现汽车荷载的适用性状态。密集运行状态下的汽车，车间距可依据有关规范及可靠度调查得出，并通过蒙特卡方式随机生成数据[3]。通过调查检测，案例桥梁在密集运行状态下的汽车间隔距离，呈现对数正态分布，见图5。

利用图5显示的数据，计算汽车荷载效应，其中包括正弯矩、负弯矩、支点剪力等的计算，都是以1m为步长基本单位，在影响线移动加载时，最后得出各自的最大值。对于桥梁设计来说，简支梁计算跨径的荷载变化，需要依次从5～70m的直线距离评价，即可得出设计荷载与实际车辆之间的差异值[4]。计算结果所体现的最终数据信息，是车流产生的最大荷载效应，超过公路-I级设计荷载的效应值，甚至是公路I-级的2倍以上，其中中小跨径结果影响较大，需要重点注意。

2.4 针对汽车荷载的设计思路

1）应对汽车荷载冲击力。由于桥面的不平整，或者通过车辆车轮本身的问题，会对桥梁结构产生不同程度的震动和冲击影响，久而久之会导致结构的应力变形。对此建议针对应力现象，结合冲击系数的大小，根据桥梁各种参数计算得出，在跨径20m时，对应0.2的冲击系数，在跨径150m时，对应0.1的冲击系数，即对计算结果做相应提高[5]。

2）应对汽车荷载离心力。根据有关的曲线理论，在半径不大于250m时，根据设计车速和曲线半径，计算得出离心力系数。

3）应对汽车荷载土侧压力。汽车荷载影响后，桥台和挡土墙后面的填土受到破坏，会产生土侧压力。设计时，根据换填土层的重力密度、车轮总重力大小、换填土破坏棱体长度大小、桥台横向宽度、挡土墙长度等，计算出换填土层的厚度。

4）应对汽车荷载制动力。汽车在桥梁行驶时制动，对桥梁结构有滑动摩擦影响，如果桥梁行车条件不佳，汽车出于正常行驶需求，紧急刹车频率相对会比较高。本桥梁属于同向行驶的双车道，设计汽车荷载是公路-Ⅱ级，要求荷载制动力的设计标准值大于180kN，原则上不超过汽车荷载总质量的10%。

3 结语

综上所述，公路桥梁的设计中，汽车荷载适用性的考虑，是其中的一个重要前提，期间需要根据桥梁具体的结构形态需求，在桥梁布置测点并建模计算，然后根据计算得出的荷载效应大小，针对汽车的荷载冲击力、离心力、土侧压力、制动力等，针对性完成设计工作。文章通过研究，基本明确了案例桥梁在汽车荷载适用性角度的设计方法，但考虑到不同桥梁对汽车荷载适用性要求的差异性，以及不同桥梁结构设计条件的不同，以上方法在其他桥梁工程设计应用时，务必结合具体工程的实际设计要求，予以灵活地参考借鉴。

【1】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(1):65-69.

【2】刘军.汽车荷载离心力作用下弯坡连续刚构桥内力响应[J].公路与汽运,2015(6):143-146.

【3】阮欣,周军勇,雪飞.随机车流作用下多塔斜拉桥总体荷载响应特性[J].同济大学学报（自然科学版）,2014(1)：25-30.

【4】周勇军,孙婧,梁玉照.公路桥梁设计荷载基本组合的分项系数值及其效应对比[J].公路,2012(1):103-107.

【5】黄俤俤.基于汽车荷载试验和车辆荷载调查的空腹式箱拱桥极限承载力评定[J].福建交通科技,2014(3):44-48.

Discussion on Highway Bridge Design form the Point of Motor Load Applicability

LIU Wei
(Cangzhou Shuangsheng Highway EngineeringConsulting Co.Ltd.,Cangzhou 061000,China)

Howto solve the question of the applicability vehicle load,road bridge design is one of the points,in particular the overload factorthreateningtheelimination,weneedtofocusregardeddesignwork.Throughinvestigation,tounderstandall kindsofheavyvehicles design parameters,and then to a highway bridge engineering,for example,in-depth discussions from the car load angle applicability of highwaybridgedesign.

vehicleload;applicability;roadsandbridges;design

U442

A

1007-9467（2016）07-0144-03

2016-05-04

刘伟（1985～），男，河北沧州人，工程师，从事公路、桥梁设计与研究，（电子信箱）79234043@qq.com。