中美公路橋梁設計規范的汽車荷載效應對比分析

李清富 趙姝彬 李承昌

摘 要：本文以不同標準跨徑的單梁單車道簡支T型梁為樣本橋梁，將我國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）和美國AASHTO規范規定的汽車荷載分別作用在不同跨徑的簡支梁橋上，計算了汽車荷載標準值作用下以及分別考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減和汽車荷載分項系數影響的樣本橋梁的跨中彎矩值和支點剪力值，并進行對比分析。結果表明，對于樣本橋梁，我國規范的汽車荷載標準值效應以及考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減影響時的汽車荷載效應計算值均高于美國規范，考慮汽車荷載分項系數影響的汽車荷載效應計算值總體上小于美國規范。本研究可為我國今后修訂汽車荷載標準提供一定的參考。

關鍵詞：橋梁設計規范;汽車荷載效應;沖擊系數;橫向折減系數;荷載分項系數

中圖分類號：U441.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）19-0111-06

Abstract： In this paper， single-beam single-lane simply supported T-beams with different standard spans were used as sample bridges， and the vehicle loads specified in the General Code for Design of Highway Bridges and Culverts （JTG D60—2015） and the American AASHTO Code were applied to different spans. On the simply supported beam bridge of the diameter， the mid-span moment value and the fulcrum shear force of the sample bridge under the influence of the vehicle load standard value and the influence of the vehicle load impact， the multi-lane lateral reduction and the vehicle load component coefficient were calculated respectively. Values were compared and analyzed. The results show that for the sample bridge， China's standard vehicle load standard value effect and the calculation of the vehicle load effect when considering the impact of the vehicle load and the multi-lane lateral reduction are higher than the US standard， and the car considering the car load component coefficient is considered. The calculated load effect is generally smaller than the US specification. This study can provide a certain reference for China's revision of vehicle load standards in the future.

Keywords： bridge design specification;vehicle load effect;impact coefficient;transverse reduction factor;load partial coefficient

汽車荷載是橋梁設計最基本也是最重要的設計參數。由于各國公路橋梁運營車輛存在差異以及車道劃分、車輛間距、交通管理等不同，各國的橋梁設計規范關于汽車荷載的規定也存在較大差異。為了比較國內外汽車荷載取值與布置方式對橋梁結構內力的影響，本文選取公路工程常用的簡支T型梁橋作為樣本橋梁，分別采用我國現行的《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[1]和美國AASHTO規范[2]規定的汽車荷載，計算汽車荷載標準值作用下及分別考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減和汽車荷載分項系數影響的樣本橋梁的跨中彎矩值和支點剪力值，并進行對比分析，客觀評價中美兩國汽車荷載標準的差異，從而為我國今后修訂汽車荷載標準提供一定的參考。

1 我國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）關于汽車荷載的規定

我國現行《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[1]將汽車流分為一般運行狀態和密集運行狀態（包括車輛自然堵塞狀態）。汽車荷載包括公路—Ⅰ級和公路—Ⅱ級2個等級。汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，其中，車道荷載由集中荷載和均布荷載組成，適用于結構的整體計算（見圖1）;車輛荷載采用550kN的五軸標準車，適用于局部計算（見圖2）。但車道荷載和車輛荷載的作用效應不可疊加[1]。公路—Ⅰ級車道荷載的均布荷載標準值為[qk]=10.5kN/m，集中荷載標準值[Pk]取值如下：①當計算彎矩效應時，橋梁計算跨徑[l0≤5m]時，[Pk=270kN];橋梁計算跨徑[l0≥50m]時，[Pk=360kN];橋梁計算跨徑[5m<l0<50m]時，[Pk]值取為2×（計算跨徑+130）;②當計算剪力效應時，集中荷載標準值[Pk]應乘以系數1.2[1]。公路—Ⅱ級車道荷載的標準值按公路—Ⅰ級車道荷載的0.75倍計算[1]。車道荷載的均布荷載標準值應滿布于使結構產生最不利效應的同號影響線上，集中荷載標準值只作用于相應影響線中一個影響線峰值處。

2 美國現行規范AASHTO關于汽車荷載的規定

美國目前采用的是基于荷載和抗力系數設計的LRFD橋梁設計規范[2]，荷載由設計卡車或與設計車道荷載一致的雙軸車組成。設計卡車三軸的軸重分別為前軸軸重34kN，驅動軸軸重145kN，后軸軸重145kN，前軸和驅動軸軸距為4.3m，驅動軸和后軸軸距為4.3～9m，以產生最不利效應（如圖3所示）。雙軸車前后軸重均為110kN，軸間距為1.2m，橫向寬度1.8m（如圖4所示）。設計車道荷載包括分布于橫向和縱向的均布荷載，大小為9.3kN/m（如圖5所示），其中橫向分布寬度假定為3.0m。

該規范規定了3種產生極限荷載效應的荷載組合[2]：設計車道荷載和雙軸車荷載;設計卡車荷載和設計車道荷載;兩輛設計卡車荷載效應的90%（兩車間距至少15m）與設計車道荷載效應的90%組合，每輛汽車145kN軸的距離取用4.3m，用來計算處于均布荷載作用下反彎曲點之間的負彎矩和內部橋墩的反力作用。

3 計算模型

選取國內外公路工程常用的T型梁橋結構形式，考慮單梁單車道簡支T梁模型[3-7]，將我國和美國現行橋梁設計規范中的汽車荷載分別施加在這些樣本橋梁上，得到最不利荷載布置形式下樣本橋梁的跨中彎矩和支點剪力效應，并進行對比分析。其中，美國規范采用設計車道荷載和雙軸車荷載的組合作為樣本橋梁上的最不利布載形式。在單梁單車道簡支T梁汽車荷載效應分析的基礎上，分別考慮汽車荷載的沖擊作用、多車道橫向折減、基本組合下汽車荷載分項系數的取值等對汽車荷載標準值效應的影響。樣本橋梁的跨徑分別為10、13、16、20、25、30、35、40、50、60、70m和80m[3-7]。

4 中美規范汽車荷載效應對比分析

4.1 汽車荷載標準值效應比較

根據各跨徑單梁單車道樣本橋梁的跨中彎矩影響線及支點剪力影響線布置最不利荷載，并計算汽車荷載效應值，計算結果如圖6所示。

計算結果表明：中美規范對樣本橋梁的汽車荷載效應值均與跨徑成正比例關系，并且總體變化趨勢一致。中國規范計算的跨中彎矩值比美國規范大15%～38%，跨徑小于30m時差異不明顯，跨徑大于30m時，隨著跨徑增大，其差值逐漸增大;中國規范計算的支點剪力值比美國規范大25%～39%，且隨著跨徑的增大，其差值逐漸增大。

4.2 汽車荷載沖擊作用比較

4.2.1 中美汽車荷載沖擊系數。汽車在道路上行駛時，因汽車荷載的動力作用導致內力或變形增大的現象即為沖擊作用[1]。由于影響沖擊作用的因素眾多，目前國際上廣泛采用汽車荷載的標準值乘以沖擊系數[μ]來表達汽車荷載的沖擊作用[7]。我國現行規范規定，汽車荷載的沖擊系數[μ]是結構基頻[f]的函數[1]，如表1所示。

此外，汽車荷載的局部加載及在T梁、箱梁懸臂板上的沖擊系數采用0.3[1]。

美國規范規定，汽車荷載的作用效應為“靜力作用×[1+IM]”，其中[IM]為輪載靜力作用效應的增量，即動力荷載系數[2]，取值見表2。

4.2.2 考慮沖擊系數后的汽車荷載標準值效應。對于本例中單梁單車道的樣本橋梁，中美汽車荷載沖擊系數計算結果如表3所示。

結果表明：考慮汽車荷載沖擊作用后，中美規范對樣本橋梁的荷載效應值均與跨徑成正比例關系，且總體變化趨勢一致。中國規范計算的跨中彎矩值比美國規范大6%～55%，且隨著跨徑增大，兩者差值不斷增大;中國規范計算的支點剪力值比美國規范大15%～54%，且隨著跨徑增大，其差異值越來越小。

4.3 考慮橫向折減效應后汽車荷載效應值比較

在橋梁多車道上行駛的汽車荷載使構件某截面產生最不利效應時，其同時處于最不利位置的可能性大小即為橫向折減系數[3]。通常情況下，車道上滿布車輛的可能性會隨著車道數目的增加而減小，相應地，車道荷載橫向折減效應會增加。我國現行規范和美國AASHTO規范規定的汽車橫向折減系數如表4所示。

對于樣本橋梁，在計算單車道汽車荷載效應的基礎上，考慮橫向折減效應，分別計算2車道、3車道和4車道的汽車荷載效應，計算對比結果如圖8、圖9和圖10所示。

結果表明：考慮多車道的橫向折減效應后，中美規范對多車道樣本橋梁的汽車荷載效應值均與跨徑成正比例關系，且趨勢相同。車道數相同時，中國規范計算的跨中彎矩值大于美國規范，且差值不大，而支點剪力值比美國規范大18%～60%。

4.4 基本組合下考慮汽車荷載分項系數的效應值比較

按承載能力極限狀態設計時，我國現行規范規定的汽車荷載效應（包括沖擊力）的分項系數為1.40，結構自重的分項系數為1.20[1];美國AASHTO規范規定，對于中小跨徑橋梁，當不考慮風荷載時，在常規汽車荷載情況下，汽車荷載效應的分項系數為1.75，結構自重的分項系數為1.25[2]。

對于樣本橋梁，承載能力極限狀態設計中，汽車荷載效應乘以相應的分項系數，即為基本組合下的汽車荷載設計效應[8]。圖11、圖12和圖13分別為中美規范對于2車道、3車道、4車道的汽車荷載設計效應的對比結果。

結果表明：考慮基本組合下汽車荷載的分項系數后，中美規范對多車道樣本橋梁的汽車荷載設計效應值與跨徑成正比例關系，且總體變化趨勢一致。對于跨中彎矩設計值，美國規范計算結果總體上大于中國規范，且隨著跨徑增大，兩者的差值增大;對于支點剪力設計值，在跨徑較小時，中國規范大于美國規范，而隨著跨徑的增大，美國規范逐漸大于中國規范，且隨著跨徑增大兩者的差值增大。

5 結論

本文采用我國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）和美國AASHTO規范規定的汽車荷載分別作用在不同跨徑的簡支梁橋上，計算了汽車荷載標準值作用下以及分別考慮汽車荷載沖擊作用、多車道橫向折減和汽車荷載分項系數影響的樣本橋梁的跨中彎矩值和支點剪力值，并進行了對比分析，最終得出以下結論。

①中美規范對樣本橋梁的汽車荷載效應值均與跨徑成正比例關系且總體變化趨勢一致。中國規范計算的荷載效應值均大于美國規范，且隨著跨徑的增大，其差值逐漸增大。

②考慮汽車荷載沖擊作用后，中美規范對樣本橋梁的荷載效應值均與跨徑成正比例關系，且總體變化趨勢一致。中國規范計算的荷載效應值均大于美國規范，且彎矩值隨著跨徑的增大其差值逐漸增大，而支點剪力值隨著跨徑的增大其差值越來越小。

③考慮多車道的橫向折減效應后，中美規范對多車道樣本橋梁的汽車荷載效應值均與跨徑成正比例關系，且趨勢相同。車道數相同時，中國規范計算的跨中彎矩值大于美國規范，且差值不大，而支點剪力值比美國規范大18%～60%。

④考慮基本組合下汽車荷載的分項系數后，中美規范對多車道樣本橋梁的汽車荷載設計效應值與跨徑成正比例關系，且總體變化趨勢一致。對于跨中彎矩設計值，美國規范計算結果總體上大于中國規范，且隨跨徑增大兩者的差值增大;對于支點剪力設計值，在跨徑較小時，中國規范大于美國規范，而隨著跨徑的增大，美國規范逐漸大于中國規范，且隨跨徑增大兩者的差值也增大。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵設計通用規范：JTG D60—2015[S].北京：中國人民交通出版社，2015.

[2]AASHTO.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications （8th Edition）[S/OL].（2018-06-10）[2019-05-20].http：//www.doc88.com/p-4761790852310.html.

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