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 肖小艷

 (中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司  武漢430056)

摘要  以非洲加納共和國(guó)索芙蘭立交樞紐工程為計(jì)算實(shí)例，對(duì)比分析了中國(guó)橋梁規(guī)范和英國(guó)橋梁規(guī)范中汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與跨徑的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，中英汽車荷載效應(yīng)不同跨徑對(duì)應(yīng)的差別變化較大；英國(guó)規(guī)范HB荷載比我國(guó)車輛荷載取值靈活且大于我國(guó)車輛荷載；英國(guó)規(guī)范中當(dāng)HA荷載與HB荷載進(jìn)行組合加載時(shí)，總的荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于我國(guó)車道荷載效應(yīng)。

關(guān)鍵詞  海外工程  橋梁設(shè)計(jì)  規(guī)范  汽車荷載

 據(jù)ENR年度全球最大250家國(guó)際承包商排名顯示，中國(guó)內(nèi)地共有65家位列其中，實(shí)現(xiàn)海外市場(chǎng)營(yíng)業(yè)收入近1 000億美元，同比增長(zhǎng)13. 9%，明顯高于國(guó)際平均水平。然而，與此不相稱的是，所執(zhí)行的項(xiàng)目主要還是采用西方標(biāo)準(zhǔn)，即便某些項(xiàng)目采用了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，也是以中國(guó)政府“經(jīng)援”或“兩優(yōu)”項(xiàng)目為主，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)也僅是作為援助性質(zhì)資金的額外條件捆綁進(jìn)入受援國(guó)。因此，在向外推廣我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，首先需要了解我國(guó)規(guī)范與外國(guó)主流規(guī)范的異同。其中，汽車荷載效應(yīng)是橋梁工程設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一，下面將結(jié)合索芙蘭互通立交橋，探討中英規(guī)范中汽車荷載效應(yīng)與跨徑的關(guān)系。

1工程概況

 索芙蘭立交樞紐工程是加納“新千年發(fā)展目標(biāo)”中的6個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。2008年，加納政府將該項(xiàng)目施工合同授予中國(guó)地質(zhì)工程集團(tuán)，在中方團(tuán)隊(duì)的積極推動(dòng)下，加納政府最終接受了采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理。值得注意的是，該項(xiàng)目資金全部來自加納政府，對(duì)推廣中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”具有重要意義。

索芙蘭互通立交橋采用全苜蓿葉互通立交，該項(xiàng)目詳細(xì)情況可參見文獻(xiàn)[1]。截止2015年8月，索芙蘭互通立交橋以及相關(guān)道路接線的建設(shè)已經(jīng)基本結(jié)束，其他剩余工程仍在施工之中，整個(gè)樞紐工程總造價(jià)預(yù)計(jì)達(dá)到1.5億美元，圖1為立交橋主體結(jié)構(gòu)成橋后照片。

2  汽車荷載效應(yīng)對(duì)比分析

以等截面簡(jiǎn)支梁為例，假設(shè)計(jì)算跨徑為L(zhǎng)，則跨中彎矩影響線和支座處剪力影響線見圖2，按照影響線加載，可得到不同跨徑下相應(yīng)的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)譜。

2.1  中國(guó)規(guī)范——公路I級(jí)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）

 《規(guī)范》第4.3條規(guī)定：“汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載；橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞、橋臺(tái)和擋土墻土壓力等的計(jì)算采用車輛荷載。車道荷載與車輛荷載的作用不得疊加。”，其中公路I級(jí)車道荷載均布荷載為恒載10.5 kN／m，集中力根據(jù)跨徑不同取180～360 kN。

假設(shè)公路I級(jí)車道荷載與跨徑關(guān)系函數(shù)為F(L)，單位荷載效應(yīng)影響線函數(shù)為M1 (L)，則總效應(yīng)M等于F(L)與M1 (L)乘積。按照規(guī)范，計(jì)算剪力時(shí)，集中荷載乘以1.2的系數(shù)。于是可得到如下公式。

汽車荷載在影響線加載后得：

代入得分段函數(shù)表達(dá)式(4)和(5)。

2.2英國(guó)規(guī)范-BS5400-2006

BS5400 - 2006汽車荷載包括HA荷載和HB荷載，其中：HA荷載與我國(guó)車道荷載類似，包括均布荷載(UDL)，和集中力荷載(KEL)；UDL取值與加載長(zhǎng)度L相關(guān)，集中力KEL則為恒載120 kN。HB荷載是特種車輛荷載，單位軸重10 kN，設(shè)計(jì)中取值25～45單位，HB荷載可與HA荷載組合。

同理通過影響線加載，可得HA荷載彎矩和剪力標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與跨徑的關(guān)系為

 綜合以上表明，2種規(guī)范的汽車荷載取值都與跨徑相關(guān)，相應(yīng)的汽車荷載彎矩和剪力標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)也是跨徑L的函數(shù)。

2.3汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)譜對(duì)比

通過上述式(4)，(5)，(6)，(7)可得到任意跨徑下2種規(guī)范汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的差異，即2種規(guī)范對(duì)應(yīng)的不同跨徑簡(jiǎn)支梁彎矩和剪力標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)譜。為了更好地了解各自的變化趨勢(shì)，將跨徑L在常規(guī)使用范圍內(nèi)向2側(cè)拓展，得到圖3～圖5變化規(guī)律曲線。

 圖3和圖4表明，HA荷載加載的彎矩和剪力標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)均大于公路I級(jí)；圖5是2種規(guī)范荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的比值，發(fā)現(xiàn)2種規(guī)范荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)比值隨跨徑的變化有較大差異。當(dāng)L-5m時(shí)，比值最大，對(duì)應(yīng)英國(guó)規(guī)范的彎矩和剪力效應(yīng)分別是中國(guó)規(guī)范的2. 03倍和1.67倍；當(dāng)L=50 m時(shí)，比值最小，分別為1.17倍和1.05倍�？v觀整個(gè)曲線變化過程，當(dāng)跨徑5 m<L<50 m時(shí)，比值呈擬線性快速下降；跨徑L超過50 m后，先緩慢增長(zhǎng)，后趨于穩(wěn)定（對(duì)應(yīng)彎矩和剪力分別約為1.6和1.5）。

對(duì)于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)用上述類似原理，同樣可獲得不同跨徑下汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)譜。比如，常用的等截面3跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)能量法可求得中跨跨中彎矩影響線方程為

應(yīng)用上述類似原理加載，并根據(jù)圖6所示影響線函數(shù)變化規(guī)律，將集中力布置在影響線函數(shù)極大值處，同時(shí)通過對(duì)影響線最不利區(qū)域進(jìn)行積分后乘以均布荷載，2項(xiàng)效應(yīng)的和即為汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)總和。該效應(yīng)值同時(shí)也是跨徑L的非線性函數(shù)，即得到3跨連續(xù)梁最不利荷載效應(yīng)譜。

 因此，要做到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都較好，設(shè)計(jì)師可對(duì)相應(yīng)的效應(yīng)譜進(jìn)行深入分析，而不是簡(jiǎn)單地通過固定的“安全系數(shù)”來將2種規(guī)范體系的荷載等同，最終保證既能滿足結(jié)構(gòu)安全要求，又能避免過于保守而造成浪費(fèi)。

3算例

以加納索芙蘭互通立交橋C，E匝道橋?yàn)槔�。C匝道第1聯(lián)為3×20 m連續(xù)梁，E匝道第2聯(lián)為3×25 m連續(xù)梁，匝道橋?qū)?m，雙車道，采用單箱單室鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。公路I級(jí)加載時(shí)考慮沖擊系數(shù)為0.3；英國(guó)規(guī)范BS5400汽車荷載已經(jīng)計(jì)入了車輛的沖擊作用，直接采用HA和HB加載，HB選擇40單位軸重。采用式(10)影響線函數(shù)與規(guī)范中汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值函數(shù)乘積（均布荷載采用積分方式）可得到汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)對(duì)比，見表1。

 表1結(jié)果說明，在考慮汽車沖擊作用后，索芙蘭互通立交橋中C匝道第1聯(lián)3×20 m連續(xù)梁和E匝道第2聯(lián)3×25 m連續(xù)梁橋，采用HA荷載得到的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)是采用公路I級(jí)的1. 18倍和1.15倍，較為接近。但HA和HB荷載組合后，差距擴(kuò)大到1.6倍，說明HB車輛荷載參與組合后對(duì)荷載效應(yīng)影響很大。事實(shí)上，英國(guó)規(guī)范中的HB荷載為特種車輛荷載，取值為25～45單位軸重，當(dāng)取40單位軸重時(shí)候，總車輛荷載可達(dá)到1 600 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我國(guó)車輛荷載550kN。此外，我國(guó)車輛荷載不參與整體橋梁設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)組合。故總體上英國(guó)規(guī)范的汽車荷載效應(yīng)較中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要高很多。國(guó)內(nèi)有研究者對(duì)近些年橋梁事故原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)汽車超載原因引起的事故愈來愈多。因此，考慮到加納的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和政府管理能力有限，工業(yè)產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，后期有可能從英美國(guó)家進(jìn)口各種特種設(shè)備，比如，大型變壓器和發(fā)電機(jī)等，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了HB荷載的影響。

4結(jié)語

 綜上所述，中英橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的汽車荷載效應(yīng)都與跨徑相關(guān)�？傮w上，英國(guó)HA荷載效應(yīng)較我國(guó)規(guī)范中公路I級(jí)大，但不同跨徑對(duì)應(yīng)的差別變化較大；英國(guó)規(guī)范HB荷載比我國(guó)車輛荷載取值靈活，且荷載取值遠(yuǎn)大于我國(guó)車輛荷載。此外，當(dāng)HA荷載與HB荷載進(jìn)行組合加載時(shí)，總的荷載效應(yīng)亦遠(yuǎn)大于我國(guó)車道荷載效應(yīng)，故在海外推行我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體跨徑布置來研究荷載效應(yīng)的差別，選擇合適的安全系數(shù)，以防范結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。