重型车辆荷载作用下桥梁结构安全分析研究

韩波

（山西省交通科学研究院,山西 太原 030006）

重型车辆荷载作用下桥梁结构安全分析研究

韩波

（山西省交通科学研究院,山西 太原 030006）

重型车辆虽然在整个交通车辆中占有比重较小，但对于特殊交通要求的桥梁，不能只采用现行规范要求荷载等级进行计算，需要按照实际的车列荷载进行加载计算。由于重型车辆荷载的实际汽车荷载效应比规范计算标准值偏大，对于重载交通地区，需要获取实际通行车辆的车重、轴重、轴距、车头间距、车速等参数，对桥梁结构进行整体和局部验算。

重型车辆荷载；汽车荷载；荷载效应

1　概述

桥梁上行驶的车辆种类繁多，有汽车、平板挂车、履带车等；同一类车辆，例如汽车，也有许多不同型号和载重等级，而且随着经济和交通的快速发展，出现了集装箱运输车等载重量越来越大的车辆。同时桥梁结构承受的车辆荷载，具有不确定性、随机性和随时间变化的特性，难以在设计阶段准确考虑。对于重载交通地区，无论是新建桥梁设计阶段或是旧桥维修加固阶段，如果能够较准确知道实际的汽车荷载对其结构产生的效应，并与规范值进行对比，这对桥梁结构安全分析具有非常重要的意义。

2　重型车辆荷载效应分析

2.1我国公路桥梁汽车荷载简介

20世纪80年代末至90年代初，在进行基于概率极限状态设计规范的基础研究时，交通部曾委托公路规划设计院组织力量进行了汽车荷载特性研究[1]。经整理统计分析求得设计基准期内最大值的概率分布和统计参数，在考虑与原规范衔接的基础上，将现行规范的汽车荷载标准及其取值模拟为均布荷载加集中荷载的模式。现行规范的公路Ⅰ级与原规范汽车-超20级基本相当，公路Ⅱ级与汽车-20级基本相当[2]。

交通运输部2015年发布的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。标准车辆荷载轴重和轴距如图1所示（图中轴重单位为kN，轴距单位为m）。

图1　标准车辆荷载（55t）轴距、轴重分布

2.2重型车辆荷载效应分析及与规范标准计算值进行比较

为了适应交通发展的需要，要求桥梁设计规范和汽车荷载标准不断更新，并逐步提高。桥梁设计人员需要在合理考虑超载因素的情况下进行桥梁设计，提高桥梁的可靠度。

我国公路桥梁在全国范围内采用一本通用规范，汽车标准荷载是在全国范围内汽车荷载参数设计的分布模型，这就造成现有重型运营汽车荷载与规范标准汽车荷载不符。因此研究重载车辆设计荷载标准是桥梁设计者紧迫的任务，即制定适应不同重载交通地区桥梁设计的标准汽车荷载，为桥梁结构安全分析提供依据。下面是以一个具体实例进行分析、比较。

某风力发电站的超重设备运输车辆须经过一座桥梁，平板挂车运输车辆荷载由运输设备和运载车辆组成，质量达120 t。该座桥梁为预应力混凝土连续梁，由于平板挂车运输车辆总重量及轴载密度已超过《公路桥涵设计通用规范》的汽车荷载等级（公路-Ⅰ级），属于重载。需要根据实际公路交通组成的汽车荷载模式进行结构整体和局部验算。

汽车荷载模式通常有虚拟车道荷载模式（例如由均布荷载和集中荷载组成的公路-Ⅰ级汽车荷载）和由标准车组成的车列荷载模式（例如已废止的标准JTJ 021—1989的汽车-超20荷载）[3]。

本桥桥面净宽7.5 m，按照规范要求布置2列车道，车辆荷载的横桥向考虑两种情况，第一种是按虚拟车道荷载模式加载，第二种是按实际的车列荷载模式加载，并进行验算和对比。

（1）2列公路-Ⅰ级，如图2所示。

图2　2列公路-Ⅰ级（单位：m）

（2）1列重车+1列公路-Ⅰ级，如图3所示。

图3　1列重车+1列公路-Ⅰ级（单位：m）

横向折减系数、纵向折减系数及冲击系数等其他相关规定参照《公路桥涵设计通用规范》规定执行。

该桥跨径及结构形式如图4所示。

图4　桥梁跨径布置形式

本桥为三跨连续梁，且跨径组成具有代表性：

（1）采用《公路桥涵设计通用规范》计算值。

（2）采用实际车列荷载布载分析，分别对边中跨弯矩、边支点负弯矩、边支点剪力，见表1～表3。

表1　三跨连续梁截面跨中正弯矩规范计算标准值与实际汽车荷载效应比较　kN·m

表2　三跨连续梁截面支点负弯矩规范计算标准值与实际汽车荷载效应比较　kN·m

表3　三跨连续梁截面剪力规范计算标准值与实际汽车荷载效应比较　kN

从以上的表中可以看出，三跨连续梁关键截面实际汽车荷载效应偏大于规范计算标准，重型车辆荷载产生的荷载效应是公路-Ⅰ级车道荷载产生弯矩效应的接近1.1倍。对于桥梁设计者来说，必须重视并且在实际工作中进行研究。

3　重型车辆荷载效应和规范标准计算值差异的原因分析

影响桥梁汽车荷载效应的因素众多，包括车头间距、车重(轴重)分布以及车流量等[4]。这里着重分析重车车重(轴重)和车流量这两个因素对桥梁结构车辆荷载效应的影响。

3.1重车车重（轴重）分布影响

该车重为120 t，该车的轴距和轴重分配情况如图5所示（图中轴重单位为kN，轴距单位为m），这些重车对中小跨径桥梁的汽车荷载效应起着控制作用。

图5　重型车辆（120 t）轴距、轴重分布

利用本次需要通行的一辆重车 (车重为120 t)对三等跨连续梁进行了加载计算，对于三跨连续梁（20 m+32 m+20 m）关键截面汽车荷载效应而言，实际重车效应计算值要大于现行规范计算值。

3.2车流量影响

日交通流量的增加会对桥梁结构汽车荷载效应产生多方面的影响，例如疲劳、多车道重车横向相遇问题等。多车道重车横向相遇问题，会导致横向多个车道的影响线最大区域内同时出现不利车辆荷载的可能性会增大，往往会影响或控制中小跨径桥梁的汽车荷载效应。

通过重型车辆实际汽车荷载效应和规范计算值的比较，旨在对现行桥涵设计规范中规定的车辆荷载模型重新进行评估。但要确定适用于某一地区交通流的汽车荷载需要在统计的基础上，进行随机过程分析，假定随机过程取100年（即设计基准期），得出设计基准期内汽车车队荷载效应最大值分布的统计参数和概率分布函数，荷载效应按95%的分位取值。对于某些有特殊交通要求的桥梁，为了进行结构安全验算，不能简单地按照《公路桥涵设计通用规范》取值，需要按实际的车列荷载进行加载计算。

4　对于重型车辆荷载交通地区桥梁设计的建议

根据重型车辆荷载交通地区的交通状况和桥梁结构受力特点，对重载交通地区桥梁设计提出以下建议：

4.1桥梁结构体系

对于承受重型车辆荷载交通的梁式桥，由于荷载内力较大，相对于同一种横断面形式的桥梁来说，不同结构体系受力也不同。设置合理的桥梁结构体系，能够减小梁体的最大弯矩值，提高桥梁的经济性能。在进行桥梁设计时，根据桥梁所处环境的实际情况，尽量采用多跨连续体系桥梁，减小桥梁的内力值。

4.2构造方面

横向联系能够增强桥梁的整体受力性能，在设计时尽量采用横向联系较好的结构，根据内力分布图，进行横向受力分配，达到整体受力的效果。

4.3安全系数

由于汽车荷载长期看来是变化的，为了避免日后承载力不足的问题，可以进行近期的荷载增长趋势调查，给一个合理的增长系数，使其在建成短期内不出现承载力不足的问题。

我国国土面积较大，交通荷载状况复杂，所以对于我国一本规范通行全国的状况亟待解决。从长远的经济效益和安全方面讲，针对各个荷载不同地区，制定适用于本地区的汽车荷载标准，才能更好解决承载力不足及超载的问题。

5　结　语

随着我国经济和大型装备制造业的快速发展，大型重荷载车辆在公路上的行驶呈增长趋势。通常，重荷载车辆的总重和轴重均明显大于桥梁的设计荷载等级，因此其对桥梁结构的影响应该引起重视。本文通过重荷载与现行规范理论分析对比，研究了重型车辆荷载对梁桥的结构影响。

（1）对于重型车辆荷载交通地区，需要获取实际通行车辆的车重、轴重、轴距、车头间距、车速等参数，将为研究桥梁实际车辆荷载分布规律及其效应分析提供了很好的数据资源。

（2）重型车辆荷载桥梁结构汽车荷载效应计算值要大于《公路桥涵设计通用规范》计算值，需要选取合理的计算模式准确模拟实际荷载，根据实际的车辆组成，采用车列荷载布载，以进行正确的桥梁结构整体和局部验算。

[1]“公路桥梁车辆荷载研究”课题组.公路桥梁车辆荷载研究[J].公路，1997，42(3)：8-12．

[2]周勇军，梁玉照，贺栓海.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，2010，27（3）:101-108.

[3]成立涛，刘宁.重载交通条件下榆佳高速汽车荷载研究 [J].公路，2013，58(3)：63-67.

[4]JTG D60—2015，公路桥涵设计通用规范[S]．

U44

B

1009-7716（2016）10-0086-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.10.026

2016-07-11

韩波（1985-），男，陕西西安人，工程师，从事桥梁工程工作。