中歐規(guī)范對(duì)公路橋梁活載計(jì)算的對(duì)比分析

中歐規(guī)范對(duì)公路橋梁活載計(jì)算的對(duì)比分析

1歐洲規(guī)范橋梁活載效應(yīng)的對(duì)比分析正確計(jì)算道路橋梁的設(shè)計(jì)載是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全合理設(shè)計(jì)的重要因素之一。不同國家的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了橋梁的運(yùn)營載。由于技術(shù)進(jìn)步、地理環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，不同國家和地區(qū)的計(jì)算方法不同，因此在這些模式下產(chǎn)生的運(yùn)營荷載效應(yīng)也不同。從2010年3月要求在歐洲大范圍采用歐洲規(guī)范,同時(shí)撤出和歐洲規(guī)范相抵觸的各成員國規(guī)范。因此目前大量海外工程要求采用歐洲規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),這就迫切需要研究歐洲規(guī)范橋梁活載的計(jì)算特點(diǎn),并與中國規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析,找出異同,以便工程師熟練合理地運(yùn)用歐洲規(guī)范進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文主要解析了歐洲規(guī)范中在常規(guī)公路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的汽車荷載、汽車離心力、人群荷載、汽車制動(dòng)力、風(fēng)荷載、溫度作用等活載計(jì)算的相關(guān)規(guī)定,并與中國規(guī)范的相應(yīng)條款進(jìn)行了簡要對(duì)比分析,最后運(yùn)用2種規(guī)范對(duì)某橋梁結(jié)構(gòu)的活載效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算,并做了對(duì)比分析。2橋梁設(shè)計(jì)的活載計(jì)算2.1荷載模式分類歐洲規(guī)范BSEN1991-2:2003中汽車荷載包括4種模式,即荷載模式1(LM1)、荷載模式2(LM2)、荷載模式3(LM3)、荷載模式4(LM4),前3個(gè)荷載模式既能用于整體驗(yàn)算,也能用于局部驗(yàn)算,荷載模式4只能用于整體驗(yàn)算。對(duì)任何設(shè)計(jì)狀況,當(dāng)實(shí)際情況需要考慮該荷載時(shí),都應(yīng)考慮荷載模式1、2和3,荷載模式4僅在某些短暫設(shè)計(jì)狀況使用。2.1.1集中荷載調(diào)整系數(shù)q和局部驗(yàn)算荷載模式1由雙軸集中荷載(TS)和均布荷載(UDL)組成(見圖1)。雙軸集中荷載每個(gè)軸重為αQQk,αQ為調(diào)整系數(shù),在整體驗(yàn)算時(shí),每個(gè)車道只考慮1個(gè)雙軸集中荷載(即2個(gè)軸載),每個(gè)軸包含2個(gè)單獨(dú)的車輪,每個(gè)車輪的荷載等于0.5αQQk。均布荷載的大小為理論車道(歐洲規(guī)范中理論車道的概念僅用于計(jì)算,行車道按每3m劃分為1個(gè)理論車道,產(chǎn)生最不利效應(yīng)的車道編號(hào)為車道1,產(chǎn)生第2不利效應(yīng)的車道編號(hào)為車道2,依此類推,多余部分為剩余區(qū)域)每平方米的重量αqqk,αq為調(diào)整系數(shù),均布荷載應(yīng)按影響面布置在最不利位置上。αQi(理論車道i集中荷載調(diào)整系數(shù))、αqi(理論車道i均布荷載調(diào)整系數(shù))和αqr(剩余區(qū)域均布荷載調(diào)整系數(shù))應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)的交通和公路等級(jí)的不同進(jìn)行選擇,當(dāng)調(diào)整系數(shù)取1時(shí),代表交通中很大一部分是重型車輛,對(duì)于普通公路或高速公路,集中荷載的調(diào)整系數(shù)αQi和車道1上的均布荷載調(diào)整系數(shù)αq1會(huì)適當(dāng)?shù)臏p小10%～20%。荷載模式1在用于局部驗(yàn)算時(shí),將雙軸集中荷載布置在最不利位置,每一個(gè)車輪的輪壓區(qū)域視為邊長0.4m的正方形,相鄰2個(gè)車道的2個(gè)輪軸的距離應(yīng)不小于0.50m(見圖1)。荷載模式1標(biāo)準(zhǔn)值見表1。2.1.2荷載模式2的單軸作用結(jié)果分析荷載模式2由1個(gè)單軸荷載組成,單軸荷載軸重為βQQak,其中Qak=400kN,βQ為調(diào)整系數(shù),一般βQ=αQ1。荷載模式2的單軸荷載可能作用在行車道的任何一個(gè)位置,當(dāng)作用在伸縮縫附近時(shí),應(yīng)乘上附加的動(dòng)力放大系數(shù)Δφfat=1.30(1-D/26)≥1,D為作用位置距伸縮縫的距離(m)。單軸的每個(gè)車輪的輪壓面積應(yīng)按照矩形區(qū)域考慮,矩形的邊長為順橋向0.35m、橫向0.60m(見圖2)。荷載模式2較多地應(yīng)用于正交異性橋面板的局部分析。2.1.3,400kn3種荷載模式3是一系列軸載的集合(見圖3),這些軸載代表了經(jīng)過特殊許可而允許在公路上行駛的特殊車輛(例如用于工業(yè)運(yùn)輸?shù)能囕v)。組成荷載模式3的車輛在尺寸和重量上都與常規(guī)汽車荷載不一樣,在歐洲規(guī)范BSEN1991-2:2003的附錄A中給出了這些特殊車輛荷載,車輛總重為600～3600kN,軸載則包括150,200,240kN3種,如對(duì)600kN總重的車輛,由4個(gè)間距為1.5m、150kN的軸載組成,而對(duì)1800kN總重的車輛,可以由12個(gè)間距為1.5m、150kN的軸載組成,也可以由9個(gè)間距為1.5m、200kN的軸載組成。當(dāng)車輛總重超過3600kN時(shí),需對(duì)具體工程單獨(dú)定義。荷載模式3主要應(yīng)用于一些特殊車輛荷載。對(duì)荷載模式3,假設(shè)車輛以低速(不超過5km/h)或正常速度(70km/h)行駛,當(dāng)以低速行駛時(shí),車輛荷載不考慮動(dòng)力放大系數(shù);當(dāng)以正常速度行駛時(shí),考慮動(dòng)力放大系數(shù)φ(φ=1.40-L/500≥1)。荷載模式3可與荷載模式1共同作用,當(dāng)假設(shè)車輛以低速行駛時(shí),在車道1上布置特殊車列(對(duì)240kN軸載的車輪要跨越車道1和車道2),在行車道的其余部位布置荷載模式1的車輛荷載,即使在布置了特殊車隊(duì)的車道上也要布置荷載模式1的車輛荷載,但應(yīng)布置在軸外邊線不少于25m的區(qū)域(見圖4)。當(dāng)假設(shè)車輛以正常速度行駛時(shí),只需在車道的其余部位布置荷載模式1的車輛荷載,布置了特殊車隊(duì)的車道上不再布置荷載模式1的車輛荷載。2.1.4風(fēng)險(xiǎn)模式組合荷載模式4是人群荷載,為大小等于5kN/m2的均布荷載,作用在橋面板相應(yīng)的長度和寬度上。荷載模式4與荷載模式1～3是相斥的,不能互相組合(與作用在人行道上的人群荷載不同,作用在人行道上的人群荷載歐洲規(guī)范中一般取3kN/m2,可與荷載模式1組合)。荷載模式4只有在城鎮(zhèn)或近城鎮(zhèn)的橋梁中,荷載模式1的效應(yīng)未包含荷載模式4的效應(yīng)時(shí)考慮,且只用于短暫設(shè)計(jì)狀態(tài)的驗(yàn)算。2.1.5局部分析模式比較中國規(guī)范中的汽車荷載分為車道荷載和車輛荷載,前者用于結(jié)構(gòu)的整體驗(yàn)算,后者用于局部驗(yàn)算。車道荷載又分公路Ⅰ級(jí)和公路Ⅱ級(jí),兩者荷載模式是一樣的,都是由集中荷載和均布荷載組成,但取值不同。歐洲規(guī)范的荷載模式1整體計(jì)算模式與車道荷載在形式上有相似的地方,均由集中力和均布力組成,但歐洲規(guī)范的集中力為雙集中力,均布力為面荷載,且車道不同,大小也不一樣,而中國規(guī)范的車道荷載集中力只有1個(gè),均布力為線荷載,多車道時(shí)考慮折減。中國規(guī)范局部分析時(shí)采用車輛荷載,其輪距為1.8m,前輪著地面積為0.3m×0.2m,中、后輪著地面積為0.6m×0.2m,當(dāng)布置多輛車時(shí),橫向車輛最小間距為0.6m?？梢钥闯?中國規(guī)范車輛荷載與歐洲規(guī)范荷載模式1及荷載模式2的局部分析模式在輪壓大小、輪壓布置等方面是有差異的。同時(shí),歐洲規(guī)范中汽車荷載值均已考慮了動(dòng)力放大系數(shù),而中國規(guī)范還需要根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻來求得沖擊系數(shù)(也即動(dòng)力放大系數(shù))。2.2中國規(guī)范汽車荷載制動(dòng)力特性下表2歐洲規(guī)范中制動(dòng)力Q1k為作用在行車道表面的1個(gè)縱向力,其標(biāo)準(zhǔn)值不大于900kN,按照對(duì)應(yīng)于荷載模式1可能作用在車道1上的最大豎向荷載的摩擦力進(jìn)行計(jì)算,Q1k=0.6αQ1×(2Q1k)+0.1×αq1q1kw1L,(180αQ1)kN≤Q1k≤900kN,制動(dòng)力可作用在任何車道中心線上,且沿加載長度均勻分布。中國規(guī)范汽車荷載制動(dòng)力按車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長度上計(jì)算的總重力的10%計(jì)算,對(duì)公路Ⅰ級(jí)不小于165kN,公路Ⅱ級(jí)不小于90kN。可以發(fā)現(xiàn),兩者制動(dòng)力都與加載長度、車道荷載大小有關(guān),且都有限值的規(guī)定。但是,歐洲規(guī)范制動(dòng)力大小與車道數(shù)量沒有關(guān)系,它的計(jì)算涉及到車道1的荷載大小、車道寬度,而中國規(guī)范制動(dòng)力與車道數(shù)息息相關(guān),為避免數(shù)值過大,多車道時(shí)需考慮折減。2.3離心荷載計(jì)算歐洲規(guī)范中汽車離心力Qtk為作用在行車道的表面、沿行車道徑向的橫向力,離心力為能夠作用在橋面板任何截面上的1個(gè)點(diǎn)荷載。包含了動(dòng)力效應(yīng)的Qtk按表2取值。中國規(guī)范規(guī)定當(dāng)彎道橋的曲線半徑r≤250m時(shí),應(yīng)計(jì)算汽車荷載引起的離心力,汽車荷載離心力標(biāo)準(zhǔn)值為不計(jì)沖擊力的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以離心力系數(shù)C,C=V2/127R。式中,V為設(shè)計(jì)速度(km/h),按橋梁所在路線設(shè)計(jì)速度采用;R為曲線半徑(m)。比較2種規(guī)范可知,中國規(guī)范只有在r≤250m時(shí)考慮離心力,其大小與橋梁設(shè)計(jì)速度和曲線半徑有關(guān);歐洲規(guī)范在r≤1500m時(shí)考慮離心力,且大小與橋梁設(shè)計(jì)速度無關(guān),當(dāng)200m≤r≤1500m,其大小與曲線半徑有關(guān),當(dāng)r<200m,其大小為一恒值。2.4風(fēng)負(fù)荷2.4.1引薦值的確定根據(jù)歐洲規(guī)范BSEN1991-1-4:2005,當(dāng)不需要考慮橋梁動(dòng)力響應(yīng)時(shí),上部結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力Fw可用簡化公式計(jì)算:Fw=12ρv2bCAref,xFw=12ρvb2CAref,x式中,vb為基本風(fēng)速;C為風(fēng)荷載系數(shù),C=cecf,x,ce為暴露系數(shù),cf,x為橫向力系數(shù),C值也可查表得到;ρ為空氣密度(可取為1.25kg/m3);Aref,x為計(jì)算面積。當(dāng)需要考慮縱向風(fēng)力時(shí),歐洲規(guī)范給出了推薦值:對(duì)板橋,縱向風(fēng)力取25%橫向風(fēng)力;對(duì)桁架橋,縱向風(fēng)力取50%橫向風(fēng)力。2.4.2結(jié)構(gòu)壓力創(chuàng)造系數(shù)qp歐洲規(guī)范中下部結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載無相應(yīng)的簡化公式,應(yīng)按照一般公式進(jìn)行計(jì)算,即Fw=cscdcfqp(ze)Aref,xFw=cscdcfqp(ze)Aref,x式中,cs為尺度系數(shù);cd為結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù);cf為力系數(shù);ze為計(jì)算高度(結(jié)構(gòu)地表面以上的最大高度);qp(ze)為計(jì)算高度ze處的動(dòng)壓力峰值,qp(ze)=qb[cr(z)]2[c0(z)]2ce(z),cr(z)為粗糙度系數(shù),c0(z)為地形系數(shù),ce(z)為暴露系數(shù)。中國規(guī)范中橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)風(fēng)力的計(jì)算采用統(tǒng)一公式Fwh=k0k1k3WdAwh,它綜合考慮了地形、地理?xiàng)l件、地表狀況、地面粗糙度等因素,與歐洲規(guī)范風(fēng)荷載公式相比,其思路是一致的。2.5溫度作用歐洲規(guī)范BSEN1991-1-5:2003中溫度荷載包括均勻溫度作用和梯度溫度作用。2.5.1初始溫度n歐洲規(guī)范均勻溫度類似于中國規(guī)范中的結(jié)構(gòu)整體升、降溫。升、降溫差計(jì)算為:升溫溫差ΔTN,exp=Te,max-T0;降溫溫差ΔTN,con=T0-Te,min。式中,T0為橋梁結(jié)構(gòu)受到約束時(shí)(因均勻溫度作用引起的外加變形或約束變形)的初始溫度;Te,min為橋梁結(jié)構(gòu)最小均勻溫度;Te,max為橋梁結(jié)構(gòu)最大均勻溫度。2.5.2豎向非線性溫度梯度歐洲規(guī)范中梯度溫度作用可用2種方法來模擬,即豎向線性和豎向非線性溫度作用。豎向線性溫度作用通過對(duì)橋面板頂、底施加一線性的溫度梯度(ΔTM,heat和ΔTM,cool)來實(shí)現(xiàn),ΔTM,heat和ΔTM,cool的值可見各采用歐洲規(guī)范國家的國家附錄,歐洲規(guī)范也給出了建議值,其大小與橋面板類型、鋪裝層厚度等因素有關(guān)。豎向非線性溫度作用通過對(duì)梁體施加一非線性的溫度梯度來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)橋面板的不同(分為鋼橋面板、復(fù)合橋面板、混凝土橋面板)有不同的施加模式。圖5給出了混凝土橋面板橋梁結(jié)構(gòu)的非線性溫度梯度模式。圖中對(duì)升溫梯度作用,h1=0.3h≤0.15m,0.10m≤h2=0.3h≤0.25m,h3=0.3h≤(0.10+鋪裝厚)m;對(duì)降溫梯度作用,h1=h4=0.20h≤0.25m,h2=h3=0.25h≥0.20m。中國規(guī)范梯度溫度(見圖6)與歐洲規(guī)范相比,兩者都采用折線模式,各溫度取值都與鋪裝類型、鋪裝厚度有關(guān),但歐洲規(guī)范考慮了梁底溫差,且在各溫度取值上也有差異。2.5.3tk主要法均勻溫度和梯度溫度可以同時(shí)作用,但同時(shí)作用時(shí)須對(duì)二者進(jìn)行調(diào)整,其調(diào)整系數(shù)ωN=0.35、ωM=0.75,則溫度作用表達(dá)式為:TK={0.35ΔTN,con(或ΔTN,exp)+ΔTM,heat(或ΔTM,cool)ΔTN,con(或ΔTN,exp)+0.75ΔTM,heat(或ΔTM,cool)ΤΚ={0.35ΔΤΝ,con(或ΔΤΝ,exp)+ΔΤΜ,heat(或ΔΤΜ,cool)ΔΤΝ,con(或ΔΤΝ,exp)+0.75ΔΤΜ,heat(或ΔΤΜ,cool)3汽車荷載載—算例分析某3×16m鋼筋混凝土簡支梁橋,橋面先簡支后連續(xù),上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制鋼筋混凝土矩形梁,預(yù)制梁高1.15m,上鋪厚20cm現(xiàn)澆混凝土橋面板,采用厚5cm瀝青混凝土橋面鋪裝。橋梁全寬15.5m,橫向設(shè)8片主梁,橋墩采用?1.2m柱式墩。分別應(yīng)用歐洲規(guī)范和中國規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行活載的計(jì)算,其中歐洲規(guī)范汽車荷載整體效應(yīng)計(jì)算采用荷載模式1,中國規(guī)范采用公路Ⅰ級(jí);汽車制動(dòng)力按一聯(lián)48m進(jìn)行計(jì)算;上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載按一聯(lián)進(jìn)行計(jì)算,下部結(jié)構(gòu)以其中最高墩(9.1m)為例進(jìn)行計(jì)算;由于為簡支結(jié)構(gòu),溫度作用只考慮梯度溫度產(chǎn)生自應(yīng)力;計(jì)算汽車離心力時(shí),假設(shè)橋梁處在不同平面半徑上。計(jì)算結(jié)果見表3及圖7。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:(1)歐洲規(guī)范汽車荷載效應(yīng)比中國規(guī)范計(jì)算的要大,但應(yīng)注意,此處歐洲規(guī)范計(jì)算未考慮調(diào)整系數(shù),且在荷載組合時(shí)荷載組合系數(shù)不同,如在承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí),汽車荷載效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)歐洲規(guī)范為1.35,中國規(guī)范為1.4,綜合考慮后,兩規(guī)范汽車荷載效應(yīng)相差不大。(2)汽車制動(dòng)力歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果較大。(3)汽車離心力歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果較小,特別是半徑較小時(shí),差別較大。(4)上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果較大,下部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載中國規(guī)范計(jì)算結(jié)果較大。(5)非線性梯度溫度中國