在公路桥梁设计中, 车辆荷载尤其是重载交通车辆荷载的采用关系到路桥结构的经济、适用和安全。由于我国的交通行业在之前一段很长的时间里发展非常缓慢因此在公路上行驶的载重车辆的车流量较小, 而且基本上都是两轴或者三轴, 轴重也仅为2t~10t, 但随着近年来我国经济的飞速发展, 无论是车辆的载重还是轴数都在不断地增大, 目前已经有轴重120t、七轴的重载车辆出现, 从而造成一部分公路桥梁严重超载, 路桥经常堵塞, 而且经常处于超负荷的状态, 从而导致公路桥梁的损坏现象日益严重。因此, 对于重载交通公路桥梁设计中的车辆荷载进行重新分析是非常有必要的。
1 重载交通公路桥梁设计中车辆荷载的调查
通过对按照相似模拟原则选取的路段进行调查, 来推断重载交通公路桥梁车辆荷载的纵向排列情况。该调查主要是为了统计出以下三个数据:首先是调查车辆的类型及其分布情况, 即各种类型车辆分布的比例;其次是各类车辆的轴重、轴距等再次是公路桥梁车辆荷载的汽车纵向间距, 其中包括载重汽车与普通汽车之间的纵向间距以及普通汽车与普通汽车之间的纵向间距。
对于前两个数据的统计, 采用观察法即可;而对于公路桥梁车辆荷载的汽车纵向间距的统计, 则采用摄影法和人工观测法, 在选择的调查路段中对交通高峰时段的汽车纵向间距进行连续采集, 并将其中个别的不合理数据进行剔除, 然后将其中载重汽车与普通汽车之间的纵向间距以及普通汽车与普通汽车之间的纵向间距分别组成集合, 另外通过调查也发现, 连续两辆载重汽车相间的概率较小, 基本可以予以忽略.根据上述调查的数据, 然后对其进行皮尔逊—Ⅲ型曲线拟合, 从而得出设计中可用的汽车计算纵向间距。
2 重载交通公路桥梁设计中车辆荷载的分析
在公路桥梁设计中, 车辆荷载是一项极其重要的技术指标, 而车辆荷载也以包括轴距、车间距、车重或轴重等在内的多个参数来对桥梁结构产生荷载效应, 而根据之前通过对重载交通公路桥梁中的实际交通调查数据进行分析和计算, 从而得出有代表性的汽车荷载类型及其车队纵向排列图, 这样就能够计算出在实际的运营状态下, 车辆荷载对于重载交通公路桥梁产生的荷载效应。下面就以我国最为常用的公路简支梁桥和公路连续梁桥来作为重点的计算对象, 对于现行规范荷载 (公路I级) 下与调查荷载下的不同跨径公路桥梁的最大弯矩效应值来进行分别计算。
根据《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60-2004) (以下简称为《路桥通规》) 中的规定, 高速公路的设计荷载为公路Ⅰ级, 该级的车辆荷载由主车 (200k N) 和加重车 (550k N) 所组成。而在对高速公路汽车车辆荷载进行分析的过程中, 将各种类型的车辆按照其对公路桥梁的作用来折算成主车 (即普通汽车) 和加重车这两种类型, 即将三、四轴载重货车、两轴中重货车、小货车、中大客车、小客车等统计为主车, 而将五、六轴载重货车等统计为加重车。
2.1 主车
采用30m跨径的简支梁的跨中弯矩作用效应, 来作为车辆荷载折算的基本参数, 计算出主车的作用总效应为:M总=995127k N·m然后将其进行平均分配从而计算出每辆主车产生的作用效应为:M单=995127/1315=757k N·m。而根据《路桥通规》中公路Ⅰ级的车辆荷载设计值, 其主车的轴距和轴重按照两轴中重货车来进行计算, 作用在30m跨径的简支梁桥的作用效应为:MⅠ级=1352k N·m, 将调查荷载的作用效应与《路桥通规》中公路Ⅰ级的主车作用效应为进行比较, 757/1352=0.56, 这是由于近年来小客车的增长速度已经远超过其他类型的车辆从而导致的。因此为了计算方便, 设计荷载即可采用《路桥通规》中规定的两轴中重货车的轴距及轴重值, 其作用效应的差值则在主车间距中来进行计算。
2.2 加重车
采用30m跨径的简支梁的跨中弯矩作用效应, 来作为车辆荷载折算的基本参数计算出加重车的作用总效应为:M总=1348863k N·m, 然后将其进行平均分配, 从而计算出每辆加重车产生的作用效应为M单=134886 3/327=4125k N·m。而根据《路桥通规》中公路Ⅰ级的车辆荷载设计值, 重车作用在30m跨径的简支梁桥的作用效应为:MⅠ级=2949.k N·m, 将调查荷载的作用效应与《路桥通规》中公路Ⅰ级的主车作用效应为进行比较, 4125/2949=1.40这由于重车的车辆多并且载重量大所导致的, 因此其对桥梁作用效应的影响也最大而按照六轴半拖挂汽车来计算, 作用在30m跨径的简支梁桥的作用效应为:M六轴=4345k N·m, 这与调查荷载中的作用效应值M单=4125k N·m相近, 因此在设计中应采用六轴半拖挂载重汽车的轴距及轴重值来作为加重车的轴距及轴重。
3 新《公路桥涵设计通用规范》关于重载交通车辆荷载的改进分析
3.1 对车辆荷载冲击系数的计算进行了修订
在89规范中主要由公路桥梁的计算跨径来决定其冲击系数, 而2004新规范中统一采用结构基频来决定其冲击系数。89规范主要考虑了跨度和材料的因素, 而未考虑桥型、连接方式和截面等对动力反应的影响, 2004新规范则采用结构基频作为参数, 因为基频是由质量、刚度、阻尼三者共同来决定的, 从而抓住了统一的本质上的因素, 从而不管其跨度、材料、桥型等有多大区别, 只要基频固定, 就可以认为其动力本质并未发生变化, 这样就使得设计计算更为科学而简洁。
3.2 对桥宽的要求进行了修订
在89规范中, 桥宽是按照不同的地形 (山岭、重丘、微丘、平原等) 来进行分别规定的, 而2004新规范则是引进了各级公路等级设计车速的概念, 从而根据不同的设计车速来最终决定桥宽。按照89规范中的要求, 在对于不同地形的确定以及地形本身具有的可改造性等两方面, 都给设计带来乐不便;而在2004新规范中按照确定的设计车速来进行桥宽的设计, 计算则相对十分明确。
3.3 对车辆荷载的划分进行了修订
在2004新规范中废除了原来的四级汽车车队荷载, 而代之以公路Ⅱ级和公路Ⅰ级 (即分别相当于89规范中的汽-20级与汽-超20级) 。而且在精简车辆荷载等级的基础上, 2004新规范还针对原来的车队荷载布载的麻烦, 引进了车辆荷载 (对局部效应进行计算) 和车道荷载 (对整体效应进行计算) , 从而使得车辆荷载的效应计算变得更为简便。
摘要：随着我国经济的发展, 无论是车辆的载重还是轴数都在不断增大, 因此对于公路桥梁设计中的车辆荷载进行重新分析是非常有必要的。本文对重载交通公路桥梁设计中车辆荷载的调查结果进行了分析, 并对新《公路桥涵设计通用规范》中关于重载交通车辆荷载的改进进行了探讨。
关键词：重载交通,路桥设计,车辆荷载
参考文献
[1] 胡晓燕.大跨度公路桥梁车桥耦合振动响应研究[D].武汉理工大学, 2009.
[2] 杨敬林.预应力混凝土梁桥在移动车辆荷载作用下的动力特性研究[D].湖南大学, 2007.