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c中外桥梁设计规范汽车荷载比较

中外桥梁设计规范汽车荷载比较

◎……一一

中外桥梁设计规范汽车荷载比较

李文生１，都峻峰２

（山西远方路桥（集团）有限公司１；同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司２）

摘要：

桥梁结构在其寿命周期内所经历的最主要的活载是汽车荷载。

近几十年经济的快速增长，使得交通状况发生了显著的变化，交通量、车辆载重量等均有显著的提高；国内外经济交流的愈趋频繁，对于桥梁设计者而言，有必要了解各国的规范。

为此针对Ｄｒ０、ＢＳ５４００、ＡＡＳＨＴＯ、Ｅｕｒｏｃｏｄｅ等规范，通过车道划分、荷载标准值、折减系数、冲击系数、布载方式等方面对汽车荷载进行了分析比较。

发现在跨径小于２００ｍ时，ＢＳ５４００规范的荷载值最高；在８０ｍ跨径以下Ｄｒ０规范的荷载值最低，Ｅｕｒｏｃｏｄｅ在８０ｍ

到２００ｍ跨径最小；当将荷载标准值外推至２００ｍ跨径以上时，Ｄ６０最高，Ｅｕｒｏｃｏｄｅ最低。

关键词：

０

汽车荷载；车道荷载；横向折减系数；冲击系数

引言

ＡＡＳＨＴ０（美国国家公路与运输协会规范１９８３）、ＣＡＮ／ＣＳＡ—Ｓ６—８８（加拿大标准委员会规范１９８８），比较了桥梁荷载绝对值（不乘系数）、乘系数桥梁荷载，将ＢＳ５４００、ＡＡＳＨＴＯ、ＣＡＮ／ＣＳＡ—Ｓ６—８８（１９８８）外推至２

０００

桥梁是辅助交通对象（汽车、人群、动物等）跨越障碍的工具。

不同区域内桥梁所需服务的主导交通对象不尽相同。

随着桥梁设计的精细化以及区域化的发展，在桥梁设计、评估过程中需要对不同区域的交通荷载进行深入研究，以便获得与桥梁需求相适应的汽车

ｍ加载长

本文将着重介绍《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧ

荷载。

但由于实际的交通荷载具有很强的随机性，要Ｄ６０—２００４）（简称Ｄ６０）、ＡＡＳＨＴＯ（２００５）、ＢＳ５４００进行区域化研究难度相当大，为此现行各国规范的划（２００６）、Ｅｕｒｏｃｏｄｅ（欧洲规范２００４）的汽车荷载各项规分区域相对较广，几乎是以最高级别行政区域为基准的，在其使用区域内做出统一规定，以适应该使用区域内的桥梁需求。

文献［１］介绍了英国规范ＢＳ５４００第二部分有关荷载及荷载组合的规定，为国内桥梁设计人员从事国外桥梁设计提供了荷载选择上的方便。

文献［２］针对大跨径桥梁将英国与美国规范中的交通荷载进行了比较，文献所涉及的交通荷载包括ＡＳＣＥ（美国土木工程协会）委员会推荐的由Ｂｕｃｋｌａｎｄ等提出的ＡＳＣＥ荷载、英国运输部标准ＢＤ３７／８８、ＢＳ５４００（英国规范１９７８）、

１名义车道划分

在桥梁结构设计中，汽车荷载的取值同桥梁宽度密切相关，特别是设计车道数。

由于各国道路安全、汽车工业发展等水平的差异，各国规范对名义车道的规定不尽相同。

首先从名义车道的划分着手研究各国规范。

表１列出了各国规范对名义车道划分的规定。

单位：

ｍ

Ｂ￥５４００

定，包括名义车道划分、车道荷载、车辆荷载、冲击系数、折减系数、布载方式，全面比较当前典型桥梁设计规范，为桥梁设计人员参与设计国外桥梁提供帮助。

表１名义车道

车道数

１２３４５６７８

Ｄ６０

ＡＡＳＨＴｏ

单向行驶ｗ＜７．０７．Ｏ≤∞＜１０．５１０．５≤∞＜１４１４≤ｗ＜１７．５１７．５≤＂＜２１．０２１．０≤＂＜２４．５２４．５≤ｗ＜２８．０２８．Ｏ≤＂＜３１．５

双向行驶６．Ｏ≤ｗ＜１４．０１４．Ｏ≤Ｗ＜２１．０２１．Ｏ≤ｗ＜２８．０２８．Ｏ≤Ｗ＜３５．０

车道数为ｗ／３．６的整数部分。

对于车道宽度小于３．６ｍ的，按实际车道数计

Ｅｕｒｏｃｏｄｅ

Ｗ＜＝４．６４．６≤＂＜７．６

７．６．１１．４

ｔｕ＜５．４５．４≤Ｗ＜６．０

１１．４≤Ｗ＜１５．２１５．２≤∞＜１９．０１９．Ｏ≤ｗ＜２２．８

宽为３ｍ的名义车道数ｎ＝Ｉｎｔ（ｗ／３）．剩余车道宽为ｗ

——３ｎ

注：

１）Ｉｎｔ（）表示取整；“一”表示未对该项作规定，下同。

２）Ｗ为桥面宽度（ｍ）收稿日期：

２０１０—０ｌ—０７

５８上冯么魄Ｎｏ．２

万方数据

２０１０

一一～碰一◎

２车道荷载与车辆荷载

荷载是由均布荷载和一个集中荷载（或是一个单轴均布荷载等于３０ｋＮ／ｍ；对于荷载加载长度大于

３０

桥梁承担的交通荷载是由多个交通实体（汽车、

荷载）组成。

在荷载长度小于等于３０１３１的情况下，

人、动物等）组成的交通实体队列所产生的荷载，若以实际汽车荷载进行加载，对于设计人员来说是一项极为繁琐的工作，特别是在寻找最不利荷载效应的荷载于汽车荷载布置的规定，在设计中以线性均布荷载和调整性的集中荷载来描述汽车荷载，并根据不同设计

ｍ的情况，均布荷载值按叫＝１５１（１／Ｌ）０’４７５，但不

得超过９ｋＮ／ｍ；名义集中荷载为１２０ｋＮ每名义车道。

ＨＢ车辆荷载有四个车轴，每单位轴重为１０

ｋＮ，

分布时。

为此，在２００４年颁布Ｄ６０中，废除了之前关

前两轴和后两轴轴距为１．８ｍ，中间两轴的轴距为

６ｍ、１１１２＂１、１６ｍ、２１

ｍ、２６

１２＂１中取一个，应该取使设

阶段规定：

整体计算中采用车道荷载的形式，在局部计范对于汽车荷载标准值的规定，并将其转化为等效均布荷载进行比较，以便直观地比较各国荷载值的取值

计目标处于最不利状态的轴距。

并且对于多车道加载，规定了三种加载方式。

２．４欧洲Ｅｕｒｏｃｏｄｅ－２００４相关条文

算中采用车辆荷载。

本节将着重介绍各国桥梁设计规

标准荷载包括双轴车辆荷载和均布车道荷载。

双

情况。

２．１

我国ＪＴＧＤ６０．２００４相关条文

公路桥涵设计时，汽车荷载分为公路一Ｉ级和公路一Ⅱ级两个等级，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，桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。

公路一Ｉ级车道荷载的均布荷载标准值为１０．５ｋＮ／ｍ，集中荷载按计算跨径选取。

计算跨径小于或等于５ｍ时，Ｐｋ一

１８０

ｋＮ；计算跨径大于或等于５０ｍ时，Ｐｔ一３６０

ｋＮ，

介于两者间的按直线内插。

车辆荷载采用一种单车，相当于原规范汽车一超２０加重车，总重为５５０ｋＮ，车长为１５．０ｍ，车宽为２．５ｍ，纵向间距为３ｍ＋１．４

ｍ

＋７ｍ－ｔ－１．４ｍ，横向轮距为１．８ｍ。

２．２美国ＡＡＳＨＴＯ－２００３相关条文

汽车活载加载时采用设计车道荷载、设计车辆荷载两种方式，而设计车辆荷载又分为卡车荷载和双轴荷载两种形式。

设计车辆荷载和设计车道荷载要根据情况进行叠加，以得到最大的荷载效应。

车道荷载为均布荷载，标准值为９．３Ｎ／ｍｍ，在横向均匀分布在３ｍ宽的范围内。

车道荷载不考虑冲击系数。

设计卡车荷载有３个轴，前轴轴重３５０００

Ｎ，后

两个轴轴重均为１４５

０００

Ｎ。

轴距为４．３ｍ和４．３～

９

ｍ，后两轴轴距应该根据计算情况取最不利的轴

距。

双轴荷载则由两个集中荷载组成，大小为

１１００００

Ｎ，间距为１．２ｍ。

在设计时，应该取均布荷

载＋卡车荷载，以及均布荷载＋双轴荷载这两种组合形式中的最大值作为设计活载。

２．３英国ＢＳ５４００—２００６相关条文

标准的公路荷载分为ＨＡ和ＨＢ两个级别。

ＨＡ

万方数据

轴车辆荷载轴重用Ｑ。

表示，其中ｉ代表车道序号，即对于不同车道Ｑ。

值不同；均布荷载用ｑ。

表示，其中ｉ也是代表车道序号。

与其它规范不同的是，均布荷载的单位是ｋＮ／ｍ２，而不是ｋＮ／ｍ。

双轴车辆的加载位置应为车辆中心线与车道中心线重合，而均布荷载则是全车道满布加载。

３多车道横向折减

在公路桥梁活载效应计算过程中，通常将空间结构分析转化为平面杆系结构以达到简化计算的目的。

对结构上所计算截面的某项荷载效应的影响线按最不利位置进行加载。

为了考虑多个加载车道同时处于最不利荷载状况的可能性，通过多车道横向折减系数来予以考虑。

Ｄ６０、ＡＡＳＨＴＯ规范均采用这样的方式，如表２所列。

而ＢＳ５４００、Ｅｕｒｏｃｏｄｅ对于横向多车道折减问题则采用了给定布载方式的形式。

ＢＳ５４００规定ＨＡ荷载作用于两个名义车道，其余车道作用１／３的ＨＡ荷载，并依据ＨＢ荷载参与组合的形式规定了三种布载方式：

（１）仅有一个车道最不利位置作用有ＨＢ时；（２）两个车道作用ＨＢ，在ＨＢ作用范围外加载ＨＡ荷载；（３）两个车道作用有ＨＢ，且外侧车道仅作用１／３的ＨＡ荷载。

Ｅｕｒｏｃｏｄｅ的荷载分布模型共有４种，在此仅介绍用于整体计算的荷载模型一。

其首先将车道根据作用的最不利等级划分为四级，并给予编号①、②、③、④。

其中①为最不利车，②③次之，④为除此之外的车道。

不同等级的车道荷载等级不同，如表３及图１。

此外，为了讨论各国规范在考虑汽车荷载横向分布上存在的差异，以典型用于整体计算的荷载模型Ｅｕｒｏｃｏｄｅ模型一为基准，比较多车道横向折减系数。

对于Ｄ６０和ＡＡＳＨＴ０，其各种计算工况多车道横向

Ｎｏ．２

２０１０上冯么冶５９

◎ｓ一…一ｓ一

折减系数完全相同，对于ＢＳ５４００则选用布载形式２，得到如表２的分析结果。

表２横向折减系数

３

４

５

规范名称

Ｄ６０

１２

６７８

１．００Ｏ．７８０．６７０．６００．５５０．５２

０．５０

ＡＡＳＨＴ０１．２０

１．００

０．８５０．６５

图１Ｅｕｒｏｃｏｄｅ车道编号与布载（注：

ｗ１为车道宽度）

ＢＳ５４００１．００１．０００．７８０．６７０．６００．５６

Ｅｕｒｏｃｏｄｅ

４冲击系数

１．００

０．６４

０．５２０．４６０．４２０．４０

车辆以一定的速度通过桥梁结构时，由于各种因

表３欧洲规范荷载标准值表

素的影响，必然对桥梁产生冲击作用，通常用冲击系数要包括桥面的粗糙度、车辆的动力特性、桥梁的动力特

车道序号

１

双轴荷载轴重Ｑ／ｋＮ

３９０

均布荷载似／ｋＮ・ｍ一２

９

来加以考虑。

研究表明，影响车辆动力效应的因素主

性、车辆运行速度以及车辆数量等。

然而由于影响动

２

２００

２．５

力效应的因素的测定以及分析模型的不确定性，各国

３

１００

２．５

对于冲击系数的考虑差异较大（见表４），甚至有些规范没有规定冲击系数，如Ｅｕｒｏｃｏｄｅ、ＢＳ５４００。

表４动力荷载允许值

其它车道

Ｏ２．５

Ｄ６０ＡＡＳＨＴＯ

编号

项目（，为结构基频）

１２３

冲击系数“

０．０５

０．１７６

项目

ｌＭ

当，＜１．５Ｈｚ时当１．５Ｈｚ≤，≤１４Ｈｚ时

桥面板连接——所有极限状态

７

７５％

１５％

７ｌｎ，一０．０１５

Ｏ．４５

当ｐ１４

其它方面

Ｈｚ时

所有其它极限状态

３３％

疲劳和断裂极限状态

注：

ＩＭ为冲击系数；

５应用分析

文献Ｅ８３选取了５种８

ｍ、１３ｍ、２０ｍ、２５ｍ、５０ｍ

＋１００ｍ４－３００ｍ＋１０８８ｍ－Ｉ－３００ｍ＋１００ｍ＋１００ｍ。

桥面宽为３３ｍ。

首先利用有限元软件建立结构的有

的标准跨径桥梁为研究对象，除８ｍ跨径结构的横断面为板梁，其他跨径结构的横断面为Ｔ梁，比较了结构在Ｄ６０、ＡＡＳＨＴＯ、日本、澳大利亚等规范汽车荷载作用下，结构的等效荷载以及荷载作用产生的挠度、弯矩、剪力等响应。

比较结果表明各国规范在汽车荷载的差异较大；同时由荷载引起的响应计算结果差异也较大。

鉴于文献［８］仅对中小跨径桥梁汽车荷载及其效应作了比较，本研究将依据Ｄ６０适用于大跨径桥梁的特点。

以某大跨径斜拉桥为背景，将ＡＡＳＨＴＯ、Ｅｕｒｏｃｏｄｅ、ＢＳ５４００等典型国际规范进行跨径外推（因ＡＡＳＨＴＯ、Ｅｕｒｏｃｏｄｅ、ＢＳ５４００规范规定其适用。

于中小跨径桥梁），将外推后的汽车荷载同Ｄ６０所规定荷载所产生的荷载效应进行比较。

某大跨度斜拉桥在最不利汽车荷载作用下的主梁、主塔、拉索响应计算为例，该桥跨径布置为１００

ｍ

限元模型，并计算主缆缆力的影响线，再将前文所比较

的Ｄ６０、ＡＡＳＨＴＯ、ＢＳ５４００、Ｅｕｒｏｃｏｄｅ汽车荷载与影响面相结合，计算得到关键构件的