基于新规范汽车荷载的桥梁上部结构通用图设计

2020-03-02■高雅

福建交通科技 2020年1期

■高雅

(苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

0 引言

《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)和《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)(以下简称“新规范”)对公路桥涵汽车荷载进行了调整[1-2]，50 m 以下的中小跨径桥梁受到的影响最大。原有交通部公路桥梁结构上部结构系列通用图(2006)[3](以下简称“部颁图”)不能再直接使用,且部颁图编制委员会已表示不再组织编制针对新规范的标准图，因此新规范实施后，各设计单位都面临重新编制通用图的问题。文章对荆门地区常用的后张法空心板和小箱梁进行了验算和对比，分析部颁图在新规范下的适用度，并对不满足要求的通用图进行修订。

1 新规范汽车荷载的变化

1.1 结构重要性系数

新规范中桥梁结构安全等级的分类做了调整，《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[4](以下简称 “旧规范”)按照特大桥、大、中、小桥等划分安全等级，新规范则根据公路等级划分：例如一级公路中小桥，结构重要性系数由1.0 调整到1.1。总体来说新规范提高了大部分桥涵结构的设计安全等级，提高了结构重要性系数。

1.2 汽车荷载等级

自2009 年起我国各地开始陆续取消二级公路收费，部分二级公路的交通量和荷载水平有了较大增长[2]。因此新规范调整了二级公路汽车荷载等级。旧规范二级公路采用公路-II 级，新规范调整为：一般情况下采用公路-I级，二级公路为非干线公路且重型车辆不多时采用公路-II 级。

1.3 汽车荷载标准值

汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车辆荷载的主要技术指标未发生变化，但在进行荷载组合时其分项系数由1.4 提高至1.8，桥面板的计算将受到较大影响；车道荷载的计算参数也进行了调整：车道荷载由均布荷载qk和集中荷载Pk两部分组成，均布荷载qk保持不变，公路一I 级的集中荷载标准值Pk有了较大变化，这一变化针对50m 以下的中小跨径桥梁，详见表1。

汽车荷载标准值的修订主要针对中小跨径桥梁，源于中小跨径桥梁在实际运营中的汽车荷载超越旧标准的问题相对突出，而大跨径桥梁与旧标准适应性较好[1]。

表1 新旧规范集中荷载Pk 取值

1.4 横向车道布载系数

新规范增列了单车道的横向车道布载系数，多车道的横向折减系数未做变化。

2 部颁图验算

荆门市地处汉江中下游，境内溪泉库渠纵横，地区兼有低山坳谷区、丘岗冲沟区和平原湖区地貌。后张法预应力混凝土空心板和预应力混凝土小箱梁能很好的适应当地的地形地貌条件，是荆门地区最常用的桥梁上部结构形式。桥梁跨径10m≤L≤16m 时上部结构采用后张法空心板，跨径20m≤L≤40m 时采用小箱梁，新规范实施前均使用部颁标准图。新规范实施后原基于旧规范编制的部颁图能否适用、如何修订，是设计过程中必须面临的问题。

2.1 空心板

选取公路-I 级汽车荷载、B=24.5m 断面、简支结构的部颁图空心板，分别验算10m、13m、16m 跨径。断面布置见图1。以横向分布最不利单梁的跨中弯矩为研究对象，对比新旧规范汽车荷载工况下的弯矩变化见表2，承载能力富余度见表3。

图1 B=24.5m 断面16m 空心板横断面布置图(单位:mm)

表2 新规范汽车荷载空心板跨中弯矩增大比例

表3 新规范汽车荷载空心板跨中承载能力富余度

(1)车道荷载集中力增大后，边板和中板的跨中弯矩增大比例在9%～17%之间，同跨径中板、边板弯矩增大比例基本一致；跨径越小受活载影响越大, 弯矩变化越明显。

(2)新规范汽车荷载下各跨度空心板的承载力富余度下降明显，10m 空心板、13m 空心板边板承载力已经不能适应新荷载的要求，13m 中板、16m 空心板承载力尚可满足要求，但富余度已接近临界值。

(3)由以上验算可知，部颁图空心板已基本不适用于新规范公路-I 级汽车荷载。

2.2 小箱梁

选取部颁通用图公路-I 级汽车荷载、B=24.5m 断面的预应力混凝土小箱梁，分别验算4×20m、4×25m、4×30m、4×35m、4×40m 跨径。验算结论如下：

(1)新规范汽车荷载作用下各跨径小箱梁的承载能力均能满足要求，但承载能力富余度有所下降，尤其边梁的承载力富余度最小。这是由于小箱梁配束区分中、边跨，不区分中、边梁，即同一跨内中、边梁配束一致，因此同样位置处中梁的承载力富余略大于边梁，汽车荷载变化后也呈现这一规律。以4×20m 跨径跨中弯矩承载力富余度为例，中跨边梁富余度接近临界值，中梁富余度尚可，详见表4。

表4 4×20m 小箱梁跨中弯矩承载力富余度表

(2)车道荷载集中力增大后，中梁、边梁的跨中弯矩增大比例在1.1%～7.6%之间，同跨径中梁、边梁弯矩变化比例基本一致；同样是跨径越小受活载变化影响越大，弯矩变化越明显。对比新旧规范汽车荷载工况下的弯矩变化见表5。

(3)部颁图20m 跨径小箱梁不推荐直接使用，并需要加强主拉应力验算。

(4)部颁图其他跨径小箱梁需验算通过后使用。

3 上部结构通用图修订

由验算可知，新规范汽车荷载作用下，部颁图空心板跨中弯矩增大比例最大达17%，承载能力下降明显；部颁图小箱梁跨中弯矩增大比例最大为7.6%，承载能力基本满足要求。根据受力计算及刚度需求，在部颁图基础上，上部结构作出如下调整。

3.1 空心板梁高增加5cm

目前空心板桥在运营中广泛反映出刚度偏小的问题，考虑到汽车荷载重型化，同时结合结构耐久性要求，修订的通用图在部颁图基础上增加了5cm 梁高，以保证空心板的安全储备和耐久性，同时可以增大刚度，减少挠度。增加5cm 梁高，截面惯性矩提高17%～24%，效果显著。

表6 空心板梁高及中板跨中断面惯性矩提高系数表

3.2 空心板现浇层厚度调整至15cm

空心板结构横向联系较弱，运营中存在大量铰缝开裂导致的单板受力现象，将10cm 现浇层厚度调整为15cm，不仅增强横向联系，同时抵抗桥面板验算中车辆荷载分项系数的提高。

3.3 取消16m 空心板连续结构

部颁图中16m 空心板有简支和连续两种结构类型。连续结构可抵消一部分跨中弯矩，同时行车舒适性好。而空心板用作中小跨径，结构简支或连续对行车舒适性的影响不明显，材料节省也非常有限。对比11.25m 桥宽两种结构的一孔材料数量表，钢束用量：连续结构是简支结构的0.98 倍，钢筋用量：连续结构是简支结构的1.26 倍。且简支结构施工便捷、节省工期，因此修编图纸仅保留简支结构空心板。

3.4 调整20m 小箱梁钢束规格

边跨N1 及中跨N2 钢束[3]编束增加一股，边跨N1：4Φs15.2mm→5Φs15.2 mm, 中跨N2:3Φs15.2mm→4Φs15.2 mm。使其弯矩承载力富余度与旧规范汽车荷载作用下相当。

4 空心板工程量对比

以B=24.5m 断面单幅12m 桥宽为例，修订前后一孔上部主要工程量指标对比见表7。

表7 12m 桥宽空心板一孔上部工程量指标

受截面高度提高影响，修订后空心板每m2混凝土用量有所增加，但仍在合理范围内。每m2钢绞线指标略有提高，影响很小。钢筋用量增长较大，主要原因是修订后的空心板为加强安全储备，增大了钢筋直径，部颁图钢筋用量较节省、经济，如将原图中直径12mm 主筋调整为16mm，直径6mm 箍筋调整为10mm 等；另外空心板截面尺寸增加也是原因之一。