淺談三種標(biāo)準(zhǔn)汽車活載之間的轉(zhuǎn)化與比較

一、概述

橋梁荷載按其時間變化的性質(zhì)，分為永久荷載（permanent load）、可變荷載（variable load）和偶然荷載（incident load）。

在以往的橋梁設(shè)計計算中，公路橋梁汽車活載加載一直沿用1997年交通部發(fā)布實施的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的荷載標(biāo)準(zhǔn)。1998年，建設(shè)部發(fā)布了《城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定城市內(nèi)承建的城市橋梁、高架道路等結(jié)構(gòu)設(shè)計必須嚴(yán)格遵守此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。2004年3月1日，交通部發(fā)布實施了新的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003），同時原97年《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》廢止。本文就三種荷載產(chǎn)生的時代意義、縱向加載之間的同異以及在運(yùn)用程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時荷載的模擬和內(nèi)力結(jié)果的比較三個方面淺談自己的看法。

（以下97年《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》簡稱“97《公規(guī)》”，98年《城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》簡稱“《城規(guī)》”，2004年《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》簡稱“04《公規(guī)》”）

二、三種荷載的時代意義

97《公規(guī)》汽車活載來自原蘇聯(lián)的荷載模式，是一種列車布置方式，車型分標(biāo)準(zhǔn)車（兩軸式）、加重車（三軸式）和半掛車（五軸式）三種。97《公規(guī)》的制定是通過對實際車輛的輪軸數(shù)目、前后軸間距、軸重力等情況的分析、綜合和概括，所規(guī)定出的橋涵設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化荷載，其在形式上仍維持81年所確定標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載的四個標(biāo)準(zhǔn)，97《公規(guī)》所制定的車輛荷載在橋梁設(shè)計方面發(fā)揮了極其重要的作用，在《城規(guī)》及04《公規(guī)》出現(xiàn)之前，一直作為城市及公路結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載標(biāo)準(zhǔn)。

《城規(guī)》是專門為城市橋梁制定的荷載標(biāo)準(zhǔn)，選用加拿大安大略省公路橋梁規(guī)范（OHBDC）的荷載規(guī)定為主要參考依據(jù)。從我國大中城市的橋梁來看，城市橋梁有著自己的特點(diǎn)：1、車輛密度大，交通高峰小時時，車輛間距只有3～5m。2、行車速度較慢，橋面平整度較好，車輛沖擊力比公路橋梁小。3、城市人口密度大，人群荷載值大于公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，《公規(guī)》車輛荷載軸重小、車距大（10～15m ）的特點(diǎn)與我國現(xiàn)代城市機(jī)動車輛的動態(tài)分布規(guī)律不太相符。因此，實行《城規(guī)》顯得尤為重要。

為了適應(yīng)我國現(xiàn)代化發(fā)展需要，有利于與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，以便承攬國際橋梁設(shè)計任務(wù)，2004年國家交通部發(fā)布新《公規(guī)》，制定新的公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)。

三、三種荷載的加載方式

97《公規(guī)》汽車活載分為計算荷載和驗算荷載兩種，其中計算荷載以汽車車隊表示，驗算荷載以履帶車、平板掛車表示。計算荷載的汽車車隊一般以汽車-20級、汽車-超20級作為常用數(shù)據(jù)，驗算荷載一般以掛車-100和掛車-120作為常用數(shù)據(jù)，計算荷載的各等級汽車一列車隊的縱向排列均為重車一輛，主車車輛數(shù)不限，計入沖擊力的影響。用驗算荷載驗算時，不計沖擊力、人群荷載和其他非經(jīng)常作用在橋涵上的各種外力，平板掛車在橋梁全長內(nèi)用一輛布載。

《城規(guī)》汽車活載劃分為城-A級和城-B級兩個等級，根據(jù)橋梁荷載要求選擇相應(yīng)的等級。同時汽車荷載分為車道荷載和車輛荷載兩種，當(dāng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)計算時不得將車輛荷載和車道荷載的作用迭加。城-A及城-B級車道荷載按均布荷載加集中荷載計算，均布荷載和集中荷載的標(biāo)準(zhǔn)按橋梁跨徑確定。城-A級車輛荷載采用五軸式貨車加載，總重700KN；城-B級車輛荷載采用三軸式貨車加載，總重300KN。兩種汽車的橫斷面尺寸相同。

04《公規(guī)》汽車活載劃分為公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級兩個等級，汽車荷載亦由車道荷載和車輛荷載組成，當(dāng)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)計算時不得將車輛荷載和車道荷載的作用迭加。其兩種標(biāo)準(zhǔn)車道荷載亦按均布荷載加集中荷載計算，均布荷載和集中荷載的標(biāo)準(zhǔn)按橋梁跨徑確定。公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級汽車荷載采用相同的車輛標(biāo)準(zhǔn)值，總重550KN。

《城規(guī)》與04《公規(guī)》這兩種汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)均由車道荷載和車輛荷載，橋梁的主梁、主拱和主桁等的計算采用車道荷載；橋梁的橫隔梁、行車道板、橋臺或擋土墻土壓力的計算采用車輛荷載。

四、荷載的模擬轉(zhuǎn)化

在我們?nèi)粘９ぷ髦校Y(jié)構(gòu)計算多采用計算程序軟件來完成，用于計算結(jié)構(gòu)的軟件多已定義了中各級的車隊荷載標(biāo)準(zhǔn)，在活載加載時，只要選取相應(yīng)的代碼就可以進(jìn)行計算。但對于《城規(guī)》與04《公規(guī)》車道荷載多沒有定義。這就需要對相應(yīng)荷載進(jìn)行模擬。

利用計算程序在活載響應(yīng)參數(shù)信息中“自定義汽車”或特殊車列選項可以解決這一問題，根據(jù)“車隊荷載”中車隊縱向排列重車一輛，主車車輛數(shù)不限的特性，對《城規(guī)》與04《公規(guī)》進(jìn)行模擬，模擬方法為：將后兩種均布荷載加集中荷載的一列車道汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)中的集中荷載定義為重車，同時將重車的車軸數(shù)定義為兩車軸，首軸至尾軸距離定義為0.01米，每軸重為集中荷載的一半。對于均布荷載，將其定義為主車，其車軸數(shù)仍然定義為兩軸，首軸至尾軸距離定義為0.5米，每軸的軸重為相應(yīng)均布載在0.5米范圍內(nèi)的荷載值，重車首軸至相應(yīng)主車尾軸與重車尾軸至相應(yīng)主車首軸的距離定義為0.5米。

模擬轉(zhuǎn)化圖示

運(yùn)用以上的方法可以將程序中沒有定義的荷載標(biāo)準(zhǔn)模擬出來，將新頒布荷載標(biāo)準(zhǔn)與老的荷載標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，彌補(bǔ)程序中的欠缺。

五、荷載結(jié)果的比較與分析

以下通過連續(xù)結(jié)構(gòu)與簡支結(jié)構(gòu)兩組典型算例對新荷載標(biāo)準(zhǔn)模擬帶入同一計算程序進(jìn)行計算,并對三種荷載標(biāo)準(zhǔn)所產(chǎn)生的彎矩及剪力結(jié)果進(jìn)行比較，所加活載標(biāo)準(zhǔn)分別為：汽-超20、城-A級、公路-Ⅰ級。應(yīng)用計算程序為BSACS 98（同濟(jì)大學(xué)）。

算例1：30+35+35+30m連續(xù)箱梁，橋?qū)?m，按兩車道加載。計算結(jié)果如下：

活載效應(yīng)彎矩包絡(luò)圖 活載效應(yīng)剪力包絡(luò)圖

活載內(nèi)力最值列表

支反力數(shù)值表（kn）

比較算例1連續(xù)箱梁計算結(jié)果:彎矩計算結(jié)果中，城-A級活載與公路-Ⅰ級活載包絡(luò)圖型相似(因其加載型式相似)；在中跨支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)，城-A與公路-Ⅰ級活載彎矩絕對值較汽-超20車載小，偏小大約10%。而在邊跨正彎矩區(qū)，城-A與公路-Ⅰ級活載彎矩絕對值比汽-超20車載大，偏大大約10%。剪力計算結(jié)果中，城-A與公路-Ⅰ級活載最大剪力值小于汽-超20活載剪力值，偏小大約10%。支反力計算結(jié)果中，城-A與公路-Ⅰ級活載所產(chǎn)生支座反力與汽-超20活載支座反力相近。

算例2：25m 簡支T梁邊梁，橫向分布系數(shù)0.75。

活載效應(yīng)彎矩包絡(luò)圖 活載效應(yīng)剪力包絡(luò)圖

活載內(nèi)力最值列表

比較算例2簡支T形梁彎矩計算結(jié)果:汽-超20活載跨中最大彎矩小于其他兩種荷載，偏小大約10%。三種荷載剪力計算結(jié)果相近，汽-超20支點(diǎn)剪力較大一點(diǎn)。

通過對三種荷載結(jié)果的比較，我得出幾點(diǎn)總結(jié)：1、三種活載加載型式所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值雖有差異，但內(nèi)力包絡(luò)圖型式基本一致，并且數(shù)值差異均在10%左右（在安全系數(shù)提高范圍之內(nèi)），這就充分體現(xiàn)了《城規(guī)》與04《公規(guī)》制定中的兼容性原則，新的結(jié)構(gòu)加載型式制定后，結(jié)構(gòu)計算中城市橋梁必須加載按照《城規(guī)》執(zhí)行，公路橋梁加載必須按照04《公規(guī)》執(zhí)行。通過算例可以看出，對于以97《公規(guī)》列車加載型式為標(biāo)準(zhǔn)所計算的結(jié)構(gòu)仍能滿足車輛通過要求，現(xiàn)狀公路橋梁仍可以安全運(yùn)營。2、由連梁反力可見：三種活載加載型式的反力很相近，所以新的荷載型式對基礎(chǔ)不會產(chǎn)生影響，這同樣體現(xiàn)了兼容性原則。3、模擬出的《城規(guī)》荷載與04《公規(guī)》荷載與荷載自身所體現(xiàn)的原則是一致的，以0.5m為節(jié)段轉(zhuǎn)化成的密布集中力加載在桿系結(jié)構(gòu)與荷載自身均布力型式極接近，有特殊需要可將節(jié)段更加細(xì)化。

六、結(jié)束語

三種荷載標(biāo)準(zhǔn)有各自的特點(diǎn)和加載方式，我對兩種新荷載的模擬是自己在平時工作中的一點(diǎn)經(jīng)驗，也方便了我用新荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。希望對運(yùn)用《城規(guī)》與04《公規(guī)》一定的幫助作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ001-97）

[2] 《城市橋梁設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77-98）

[3] 《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003）

[4] 橋梁結(jié)構(gòu)分析綜合系統(tǒng)BSACS 98 李國平