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公路桥梁设计汽车荷载适应性分析

发表时间：2021/6/10 来源：《城市建设》2021年5月作者：于海瀛朱加超裴庆帅

[导读] 进入新世纪以来，我国桥梁建设数量逐渐增多，在桥梁建设过程中，为确保桥梁在使用过程中的安全性，需针对设计中的荷载问题进行仔细分析。荷载问题对于桥梁设计来讲尤为重要。在本文中，笔者对桥梁设计中汽车荷载适应性进行论述。

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摘要：进入新世纪以来，我国桥梁建设数量逐渐增多，在桥梁建设过程中，为确保桥梁在使用过程中的安全性，需针对设计中的荷载问题进行仔细分析。荷载问题对于桥梁设计来讲尤为重要。在本文中，笔者对桥梁设计中汽车荷载适应性进行论述。
关键词：公路桥梁设计；汽车荷载适应性；途径
        近年来，随着我国社会经济的快速发展，对于交通运输的需求不断加大，公路桥梁工程的数量不断增加。但是，在许多公路桥梁当中，虽然其施工质量达到了设计标准，但依然有断裂、坍塌等事故的发生，究其原因，是由于公路桥梁汽车荷载适应性设计不足而造成的，所以，对公路桥梁设计汽车荷载适应性展开研究有着十分重要的现实意义。
        一、当代公路桥梁设计的现状
        道路和桥梁具有一定的使用寿命。在理论使用期间出现问题的道路或桥梁将给人们的生产和生活带来很多麻烦，特别是从用户的角度来看。从设计师的角度来看，它构成了一种威胁，设计是不完整的。我们统称这种现象是道路或桥梁缺乏安全性和耐久性。普通道路和桥梁的安全性和耐久性缺乏表现为在理论使用期间最初健康的建筑物的结构变形，开裂和向下挠曲，例如正交异性钢桥面板。混凝土斜拉桥主梁，横向挡板的疲劳裂缝，开裂及大跨度预应力混凝土连续刚构桥主梁的挠度。这些将破坏建筑物表面的保护，使更详细的结构在外部环境中泄漏。结果，不良空气的变化将使腐蚀程度更深，并增加道路和桥梁的建设。结构的破坏进一步增加了建筑物的破坏程度，增加了不安全的隐患。
在道路和桥梁的建设中有明确的使用年限，但总的来说，外部环境会造成许多条件，导致建筑物结构中出现许多不可预测的问题，建筑结构存在各种缺陷，走这条路并且桥梁的寿命将短于理论预期。
        二、我国现行公路桥梁荷载标准概述
        我国现行的公路桥梁设计采用的标准是公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）,在此规范当中，对汽车荷载的相关要求主要包括以下几方面内容：
        首先，按照汽车荷载承受能力的差异，不同等级的公路汽车荷载等级可以分为公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级两种标准。
        其次，汽车荷载包括车辆荷载和车道荷载两部分内容，其中，车道荷载又包括集中荷载和均布荷载；车辆荷载的技术指标主要包括车辆、前轴、中轴和后轴的重力，轴距、轮距、前中后轮的着地宽度和长度，车辆的外形尺寸。在对桥梁整体结构进行计算时，需要以车道荷载为依据；在对桥梁结构的涵洞、桥台、挡土墙土压力依据局部加载等进行计算时，需要以车辆荷载为准，且不能将两者作用力进行叠加。
        第三，不同等级公路汽车荷载等级需要根据实际情况进行调整。比如作为干线公路的二级公路，由于其上会有较多重型车辆通过，其桥涵应该按照公路-Ⅰ级汽车荷载的标准进行设计；当四级公路上少有重型车辆时，其在公路-Ⅱ级汽车荷载标准上，可以分别在车道荷载效应和车辆荷载效应上乘以0.8和0.7的折减系数。
        第四，在公路-Ⅰ级汽车荷载标准当中，车道荷载的均布荷载的标准值分别为10.5kN/m，桥梁计算跨径在≤5m和≥50m时的集中荷载标准值分别为180kN/m、360kN/m，而在5m-50m之间时，可以通过直线内插方式来计算。如果需要计算剪力效应，那么需要在集中荷载标准值基础上乘以1.2的系数。
        公路-Ⅱ级汽车荷载标准中，车道的均布荷载和集中荷载标准值均按0.75倍的公路-Ⅰ标准值来计算。另外，集中荷载标准值只针对最大影响线的峰值，而均布荷载标准值要分布在全部不利效应的同号影响线上。
        三、桥梁设计中荷载设计原则
        桥梁应根据安全、耐久、适用、环保、经济和美观的原则进行设计，桥梁荷载将直接影响桥梁的安全性及耐久性，荷载是桥梁在运营使用过程中其所承受到的作用力，在很多桥梁使用过程中都会出现桥梁荷载引起的影响桥梁安全的质量问题，比如裂缝以及桥梁沉降等问题，在很大程度上都是因为荷载出现了问题。荷载超重会导致一系列安全问题的出现，对桥桥梁上下部结构以及附属设施均会产生破坏，因此在实际桥梁设计过程中，针对于桥梁荷载出现的问题，需要进行针对性的研究和分析。在实际桥梁设计过程中，荷载设计需要遵循如下几个原则：第一，桥梁设计工作需要将设计理论与实际施工相结合，应考虑到后期整个施工过程中的荷载变化、结构体系转换以及施工过程中可能出现的问题，如塌陷滑坡等，在设计过程中不应将设计与施工区分开来，应根据相关施工经验进行整体桥梁设计，同时桥梁的整体结构体系在设计过程中也需要根据施工技术、施工设备和施工材料来进行设计，确保其可行性、安全性。第二，在实际施工过程中，桥梁设计人员需要严格按照我国相关部门所推行的，针对于桥梁质量和安全的相关规范来进行设计工作，对于不同等级的桥梁设计，应严格按照相关技术指标来进行桥梁荷载设计工作，这样才能够确保桥梁后期运营使用后，所呈现出的结构强度以及结构稳定性更加科学合理。第三，桥梁设计过程中，外业调查要详细具体，要准确调查清楚现有交通量及大型车辆所占比重，预测未来在桥梁使用年限内的交通量及车辆荷载，同时，桥梁范围内及上下游的地质情况要勘察清楚，地勘资料要详细准确。第四，桥梁设计过程中需要保证其经济性以及适用性，同时需要在此基础之上，对桥梁设计过程中的相关技术，根据实际施工现场来进行改进，使整体质量能够在原有基础之上得到提升。力求能够在保证桥梁安全性、经济性的同时，有效提高桥梁整体的稳定性以及使用寿命。
        四、桥梁荷载设计存在的问题
        （一）没有充分考虑桥梁的耐久性
        桥梁的耐久性是桥梁可靠性的重要组成部分和保证，耐久性通常是桥梁设计中容易忽视的问题。目前，国内桥梁设计的一般趋势是设计强调桥梁结构的强度而忽略了桥梁结构的耐久性。由于缺乏专用的耐久性设计，通过材料，结构，环境和设计程序保证耐用性，因此无法指定明确的年龄限制。

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        （二）降低桥梁设计标准
        受经济发展水平的影响，中国在一定时期内对桥梁的要求较低。另外，为了节省相对稀缺的资源，并且出于实际目的，桥梁的设计负荷标准也相应地降低。然而，随着中国经济的快速发展，交通量和重型车辆的增加使得桥梁负荷越来越高，桥梁设计负荷标准有一定的滞后性，导致大量的负荷水平。该桥已无法适应当前的运输需求，对道路的安全运行构成一定的威胁。
        （三）承载能力设计不足
        该桥具有两种承载能力和正常使用的最终状态。承载能力不足意味着超过桥梁的承载极限会损坏整个结构或某一部分的稳定性，并且在重复荷载的情况下，桥梁混凝土构件失去其超出疲劳极限的稳定性。目前，有些规范指出，在桥梁设计中，可以忽略重复荷载造成的损坏，这对桥梁主梁的设计非常有效，但如果直接忽略了桥梁的安全性。桥梁其他部分的设计。
        五、公路桥梁设计汽车荷载适应性的途径分析
       （一）公路桥梁的交通情况调查
        选择107国道某一段双相六车道为研究对象，调查一周内经过的车辆数据，对数据进行分析，可以得到如下结论：
        首先，整体交通情况。在数据调查的一周时间内，通过的全部车辆共有232684辆，车辆类型包括大、小客车和两轴、三轴、四轴、五轴以及六轴货车，其所占的比例分别为62%、5%、27%、3%、1%和1%，最多一天通过量为33254辆，最少一天为26145辆。
        其次，在车道车流特性中，来回中间车道的车辆行驶辆数占总辆数的56%，且多为重型车辆；而在最外侧的两条车道中，经过最多的是两轴货车，在靠近中央的两条车道中，经过最多的是两轴货车和小客车，很少有重型车辆。
        第三，车辆总重的分布与拟合。以统计数据为基础，对车辆总重特点进行分析后，在对其进行拟合和K-S检验，其结论为：（1）小客车和大客车的总重分布均不拒绝伽玛分布、威布尔分布、正态分布和对数正态分布。（2）两轴货车不拒绝对数正态分布分布。（3）三轴、四轴、五轴和六轴货车呈现出总重双峰分布特点，这是由于其空载和满载两种状态引起的，所以，三轴、四轴、五轴和六轴货车不拒绝双峰正态分布。
        第四，车辆轴重统计。在所有统计车辆数据当中，一周内最大的车辆轴重为28吨，且有91.24的车辆轴重在10吨以下，15吨以上的车辆轴重仅占总车辆数目的3.52%。
       （二）公路桥梁荷载效应的计算
        首先，公路桥梁的一般运行状态。使用动态称重系统，直接对公路桥梁行驶的车辆相关数据进行进行测量，也就是可以直接采用本次调查得到的一周内单车道车辆行驶数据，车间距以实际测量的车间距为准。
        其次，公路桥梁的密集运行状态。在本次调查当中，由于车间距较大，并没有测得车辆拥堵情况时的车间距，因此，公路桥梁密集运行状态的车间距需要依旧04规范进行确定，以保证车间距测量结果的可靠性。也就是说，要采用蒙特卡洛方法，通过随机生成密集运行状态的方式，来测定车间距，除此之外，其它的数据都要以实际测量数据为准。按照04规范可靠度调研方式测定的车间距不拒绝对数正态分布，其中，σ=0.279707，μ=1.561165[3]。
        第三，对公路桥梁荷载效应进行计算。在以上数据测量技术上，通过Matlab编制的简支梁和三跨连续梁（边中跨比例为0.6）相关计算程序，主要包括梁的最大正、负弯矩和支点剪力计算，分别计算一般运行状态和密集运行状态下的控制点剪力和弯矩力的值。在计算当中，要将不同运行状态的车队分别以1m步长来对影响线移动加载进行影响，而且简支梁和三跨连续梁需要计算的跨径范围分别是5m-70m和20m-160m。
       第四，对公路桥梁的汽车荷载适应性进行评价。通过以上计算得到的车队效应来和公路桥梁汽车荷载计算得到的效应进行对比，然后对得到的比值K进行分析，评价实际车辆荷载与公路桥梁设计荷载之间的差异性。
        （三）公路桥梁汽车限载的方式
        根据交通部治超标准的依据，二轴、三轴、四轴、五轴和六轴货车的超载重标准分别为20t、30t、40t、50t和55t。依据此标准，在实际调查统计中可知，超限最多的是六轴货车，其超限的数量占总数的40%左右，最大超出的载重为137.5吨，即超限比例高达150%，从中可知，货车的超载能力与车辆的轴数之间成正比例关系。
       在治超模拟计算当中，为使计算车队与实际治超情况下车队情况向接近，需要在不改变车辆车型的基础上，降低超载车辆的总重，然后在重新分配车轴，具体方法是：（1）分别将总重超过55吨的六轴货车、超过50吨的五轴货车、超过40吨的四轴货车、超过30吨的三轴货车以及超过20吨的二轴货车，全部降低到其标准的载重值上，也就是各种货车的总重分别降低为55吨、50吨、40吨、30吨和20吨。（2）在总重降低调整完成的基础上，对轴重比重（轴荷载占总重的比例）均值进行统计，重新计算总重降低后的车辆轴荷，如此就可以得到没有超限车辆的计算车队。（3）运用模拟55吨严格治超情况下车流的荷载效应，与一般运行状态车队（实际车队）的荷载效应进行对比，可以得知实际车流在简支梁和连续梁上产生的荷载效应超出了公路-Ⅰ级的汽车荷载标准值，约超出0.1-0.4倍。
        六、结语
        为了满足国民经济发展的运输要求,公路桥梁的建设规模越来越大,而超载超限的运输工具也越来越多,给桥梁的安全使用带来极大的威胁,而桥梁本身的病害问题,也是造成重车压垮桥梁事故的重要原因。因此，加强对公路桥梁设计汽车荷载的研究，通过计算汽车荷载效应，对于提高公路桥梁设计汽车荷载的适应性、提高公路桥梁安全有着重要作用。
参考文献：
[1]付宏伟.分析桥梁设计中的荷载问题及处理措施[J].黑龙江交通科技，2017（12）：131-132.
[2]JTG/TH21-2011公路桥梁技术状况评定标准北京：人民交通出版社.2011
[3]JTG/TJ21-01-2015公路桥梁荷载试验规程北京：人民交通出版社.2016