中美公路桥梁设计规范的汽车荷载效应对比分析

李清富 赵姝彬 李承昌

摘 要：本文以不同标准跨径的单梁单车道简支T型梁为样本桥梁，将我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）和美国AASHTO规范规定的汽车荷载分别作用在不同跨径的简支梁桥上，计算了汽车荷载标准值作用下以及分别考虑汽车荷载冲击作用、多车道横向折减和汽车荷载分项系数影响的样本桥梁的跨中弯矩值和支点剪力值，并进行对比分析。结果表明，对于样本桥梁，我国规范的汽车荷载标准值效应以及考虑汽车荷载冲击作用、多车道横向折减影响时的汽车荷载效应计算值均高于美国规范，考虑汽车荷载分项系数影响的汽车荷载效应计算值总体上小于美国规范。本研究可为我国今后修订汽车荷载标准提供一定的参考。

关键词：桥梁设计规范;汽车荷载效应;冲击系数;横向折减系数;荷载分项系数

中图分类号：U441.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）19-0111-06

Abstract： In this paper， single-beam single-lane simply supported T-beams with different standard spans were used as sample bridges， and the vehicle loads specified in the General Code for Design of Highway Bridges and Culverts （JTG D60—2015） and the American AASHTO Code were applied to different spans. On the simply supported beam bridge of the diameter， the mid-span moment value and the fulcrum shear force of the sample bridge under the influence of the vehicle load standard value and the influence of the vehicle load impact， the multi-lane lateral reduction and the vehicle load component coefficient were calculated respectively. Values were compared and analyzed. The results show that for the sample bridge， China's standard vehicle load standard value effect and the calculation of the vehicle load effect when considering the impact of the vehicle load and the multi-lane lateral reduction are higher than the US standard， and the car considering the car load component coefficient is considered. The calculated load effect is generally smaller than the US specification. This study can provide a certain reference for China's revision of vehicle load standards in the future.

Keywords： bridge design specification;vehicle load effect;impact coefficient;transverse reduction factor;load partial coefficient

汽車荷载是桥梁设计最基本也是最重要的设计参数。由于各国公路桥梁运营车辆存在差异以及车道划分、车辆间距、交通管理等不同，各国的桥梁设计规范关于汽车荷载的规定也存在较大差异。为了比较国内外汽车荷载取值与布置方式对桥梁结构内力的影响，本文选取公路工程常用的简支T型梁桥作为样本桥梁，分别采用我国现行的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[1]和美国AASHTO规范[2]规定的汽车荷载，计算汽车荷载标准值作用下及分别考虑汽车荷载冲击作用、多车道横向折减和汽车荷载分项系数影响的样本桥梁的跨中弯矩值和支点剪力值，并进行对比分析，客观评价中美两国汽车荷载标准的差异，从而为我国今后修订汽车荷载标准提供一定的参考。

1 我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）关于汽车荷载的规定

我国现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[1]将汽车流分为一般运行状态和密集运行状态（包括车辆自然堵塞状态）。汽车荷载包括公路—Ⅰ级和公路—Ⅱ级2个等级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，其中，车道荷载由集中荷载和均布荷载组成，适用于结构的整体计算（见图1）;车辆荷载采用550kN的五轴标准车，适用于局部计算（见图2）。但车道荷载和车辆荷载的作用效应不可叠加[1]。公路—Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为[qk]=10.5kN/m，集中荷载标准值[Pk]取值如下：①当计算弯矩效应时，桥梁计算跨径[l0≤5m]时，[Pk=270kN];桥梁计算跨径[l0≥50m]时，[Pk=360kN];桥梁计算跨径[5m<l0<50m]时，[Pk]值取为2×（计算跨径+130）;②当计算剪力效应时，集中荷载标准值[Pk]应乘以系数1.2[1]。公路—Ⅱ级车道荷载的标准值按公路—Ⅰ级车道荷载的0.75倍计算[1]。车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个影响线峰值处。

2 美国现行规范AASHTO关于汽车荷载的规定

美国目前采用的是基于荷载和抗力系数设计的LRFD桥梁设计规范[2]，荷载由设计卡车或与设计车道荷载一致的双轴车组成。设计卡车三轴的轴重分别为前轴轴重34kN，驱动轴轴重145kN，后轴轴重145kN，前轴和驱动轴轴距为4.3m，驱动轴和后轴轴距为4.3～9m，以产生最不利效应（如图3所示）。双轴车前后轴重均为110kN，轴间距为1.2m，横向宽度1.8m（如图4所示）。设计车道荷载包括分布于横向和纵向的均布荷载，大小为9.3kN/m（如图5所示），其中横向分布宽度假定为3.0m。

该规范规定了3种产生极限荷载效应的荷载组合[2]：设计车道荷载和双轴车荷载;设计卡车荷载和设计车道荷载;两辆设计卡车荷载效应的90%（两车间距至少15m）与设计车道荷载效应的90%组合，每辆汽车145kN轴的距离取用4.3m，用来计算处于均布荷载作用下反弯曲点之间的负弯矩和内部桥墩的反力作用。

3 计算模型

选取国内外公路工程常用的T型梁桥结构形式，考虑单梁单车道简支T梁模型[3-7]，将我国和美国现行桥梁设计规范中的汽车荷载分别施加在这些样本桥梁上，得到最不利荷载布置形式下样本桥梁的跨中弯矩和支点剪力效应，并进行對比分析。其中，美国规范采用设计车道荷载和双轴车荷载的组合作为样本桥梁上的最不利布载形式。在单梁单车道简支T梁汽车荷载效应分析的基础上，分别考虑汽车荷载的冲击作用、多车道横向折减、基本组合下汽车荷载分项系数的取值等对汽车荷载标准值效应的影响。样本桥梁的跨径分别为10、13、16、20、25、30、35、40、50、60、70m和80m[3-7]。

4 中美规范汽车荷载效应对比分析

4.1 汽车荷载标准值效应比较

根据各跨径单梁单车道样本桥梁的跨中弯矩影响线及支点剪力影响线布置最不利荷载，并计算汽车荷载效应值，计算结果如图6所示。

计算结果表明：中美规范对样本桥梁的汽车荷载效应值均与跨径成正比例关系，并且总体变化趋势一致。中国规范计算的跨中弯矩值比美国规范大15%～38%，跨径小于30m时差异不明显，跨径大于30m时，随着跨径增大，其差值逐渐增大;中国规范计算的支点剪力值比美国规范大25%～39%，且随着跨径的增大，其差值逐渐增大。

4.2 汽车荷载冲击作用比较

4.2.1 中美汽车荷载冲击系数。汽车在道路上行驶时，因汽车荷载的动力作用导致内力或变形增大的现象即为冲击作用[1]。由于影响冲击作用的因素众多，目前国际上广泛采用汽车荷载的标准值乘以冲击系数[μ]来表达汽车荷载的冲击作用[7]。我国现行规范规定，汽车荷载的冲击系数[μ]是结构基频[f]的函数[1]，如表1所示。

此外，汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用0.3[1]。

美国规范规定，汽车荷载的作用效应为“静力作用×[1+IM]”，其中[IM]为轮载静力作用效应的增量，即动力荷载系数[2]，取值见表2。

4.2.2 考虑冲击系数后的汽车荷载标准值效应。对于本例中单梁单车道的样本桥梁，中美汽车荷载冲击系数计算结果如表3所示。

结果表明：考虑汽车荷载冲击作用后，中美规范对样本桥梁的荷载效应值均与跨径成正比例关系，且总体变化趋势一致。中国规范计算的跨中弯矩值比美国规范大6%～55%，且随着跨径增大，两者差值不断增大;中国规范计算的支点剪力值比美国规范大15%～54%，且随着跨径增大，其差异值越来越小。

4.3 考虑横向折减效应后汽车荷载效应值比较

在桥梁多车道上行驶的汽车荷载使构件某截面产生最不利效应时，其同时处于最不利位置的可能性大小即为横向折减系数[3]。通常情况下，车道上满布车辆的可能性会随着车道数目的增加而减小，相应地，车道荷载横向折减效应会增加。我国现行规范和美国AASHTO规范规定的汽车横向折减系数如表4所示。

对于样本桥梁，在计算单车道汽车荷载效应的基础上，考虑横向折减效应，分别计算2车道、3车道和4车道的汽车荷载效应，计算对比结果如图8、图9和图10所示。

结果表明：考虑多车道的横向折减效应后，中美规范对多车道样本桥梁的汽车荷载效应值均与跨径成正比例关系，且趋势相同。车道数相同时，中国规范计算的跨中弯矩值大于美国规范，且差值不大，而支点剪力值比美国规范大18%～60%。

4.4 基本组合下考虑汽车荷载分项系数的效应值比较

按承载能力极限状态设计时，我国现行规范规定的汽车荷载效应（包括冲击力）的分项系数为1.40，结构自重的分项系数为1.20[1];美国AASHTO规范规定，对于中小跨径桥梁，当不考虑风荷载时，在常规汽车荷载情况下，汽车荷载效应的分项系数为1.75，结构自重的分项系数为1.25[2]。

对于样本桥梁，承载能力极限状态设计中，汽车荷载效应乘以相应的分项系数，即为基本组合下的汽车荷载设计效应[8]。图11、图12和图13分别为中美规范对于2车道、3车道、4车道的汽车荷载设计效应的对比结果。

结果表明：考虑基本组合下汽车荷载的分项系数后，中美规范对多车道样本桥梁的汽车荷载设计效应值与跨径成正比例关系，且总体变化趋势一致。对于跨中弯矩设计值，美国规范计算结果总体上大于中国规范，且随着跨径增大，两者的差值增大;对于支点剪力设计值，在跨径较小时，中国规范大于美国规范，而随着跨径的增大，美国规范逐渐大于中国规范，且随着跨径增大两者的差值增大。

5 结论

本文采用我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和美国AASHTO规范规定的汽车荷载分别作用在不同跨径的简支梁桥上，计算了汽车荷载标准值作用下以及分别考虑汽车荷载冲击作用、多车道横向折减和汽车荷载分项系数影响的样本桥梁的跨中弯矩值和支点剪力值，并进行了对比分析，最终得出以下结论。

①中美规范对样本桥梁的汽车荷载效应值均与跨径成正比例关系且总体变化趋势一致。中国规范计算的荷载效应值均大于美国规范，且随着跨径的增大，其差值逐渐增大。

②考虑汽车荷载冲击作用后，中美规范对样本桥梁的荷载效应值均与跨径成正比例关系，且总体变化趋势一致。中国规范计算的荷载效应值均大于美国规范，且弯矩值随着跨径的增大其差值逐渐增大，而支点剪力值随着跨径的增大其差值越来越小。

③考虑多车道的横向折减效应后，中美规范对多车道样本桥梁的汽车荷载效应值均與跨径成正比例关系，且趋势相同。车道数相同时，中国规范计算的跨中弯矩值大于美国规范，且差值不大，而支点剪力值比美国规范大18%～60%。

④考虑基本组合下汽车荷载的分项系数后，中美规范对多车道样本桥梁的汽车荷载设计效应值与跨径成正比例关系，且总体变化趋势一致。对于跨中弯矩设计值，美国规范计算结果总体上大于中国规范，且随跨径增大两者的差值增大;对于支点剪力设计值，在跨径较小时，中国规范大于美国规范，而随着跨径的增大，美国规范逐渐大于中国规范，且随跨径增大两者的差值也增大。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015[S].北京：中国人民交通出版社，2015.

[2]AASHTO.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications （8th Edition）[S/OL].（2018-06-10）[2019-05-20].http：//www.doc88.com/p-4761790852310.html.

[3]周勇军，梁玉照，贺拴海.公路桥梁汽车荷载标准值对比分析[J].建筑科学与工程学报，2010（3）：102-108.

[4]闫保民，李松辉.中美公路桥梁规范设计汽车荷载对比[J].河北工程大学学报（自然科学版），2016（1）：53-56.

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