城市桥梁与公路桥梁汽车荷载的比较和分析

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科技研究城市道桥与防洪２００６年９月第５期

城市桥梁与公路桥梁汽车荷载的比较和分析

王瑞琦，马小刚，王继忠

（辽宁省城乡建设规划设计院，辽宁沈阳１１０００６）

摘要：该文通过对多种跨径的单跨简支箱梁的计算，比较了新、旧公路桥规与城市桥梁荷载作用下的内力，分析出以上三种规范或标准相应等级的汽车荷载基本上是同一量级的，但对于箱梁和铰接梁板桥却有较大的差别。这一差别在车辆接近于设计荷载时是不容忽视的。

关键词：城市桥梁；公路桥梁；汽车荷载

中图分类号：ｕ４４１．２文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７７１６（２００６）０５－０１５４一０４

交通部２００４年发布并实施的《公路桥涵设计代替了１９８９年发布的《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＪ０２１—８９）【２】（以下简称《旧桥规》）。建设部于１９９８年发布了《城市桥梁设计荷载标准》（ｃＪＪ７７—９８）【３】（以下简称《城市标准》）。三种规范或标准对汽车荷载的规定均不相同，《旧桥规》的计级和汽车一超２０级四个等级，并分别按履带一５０、挂车一８０、挂车一１００、挂车一１２０荷载验算。《新桥规》则简化为公路一Ｉ级和公路一Ⅱ级两个等级。《城市标准》也分为两个等级：城一Ａ级和城一Ｂ级。这就出现了问题：过去的桥涵多是按《旧桥规》设计的，《新桥规》和《城市标准》发布后，新的汽车荷载在通过这些桥涵时在安全方面是否存在问题？它们之间有多大差别？该文以双车道简支箱１

计算模型

为了比较《新桥规》、《旧桥规》和《城市标准》

ｍ，净宽７

ｍ

的双车道单跨简支箱梁作为计算模型。跨径由５

ｍ。当跨径Ｌ≤１３ｍ时，采用钢筋混凝土

ａ），混凝土为ｃ３０；当跨径１６

ｍ时采用钢筋混凝土箱梁（见图ｌｂ），

ｍ时采用预应力混ｃ），混凝土为ｃ４０。

万　

方数据０．５７０．５

］

Ｈ

０．５７

Ｏ．５

Ｈ

１Ｉ』

０．５

卜＿｛—－－——————————————一————叫

７０．５

１』

Ｈ

一一

２一一

±三上一

±一

ＴＴ

叫

图

。艚支

一

型

这里仅对图１所示的钢筋混凝土和预应力混《旧桥规》规定，当简支梁计算跨径ｋ≤５ｍ

ｍ时，斗＝Ｏ。当ｋ

ｍ和４５ｍ之间时按直线内插法求得。

如以冲击系数斗为纵坐标轴，计算跨径ｋ０前言

通用规范》（ＪｒＩ＇ＧＤ６０—２００４）【１】（以下简称《新桥规》）算荷载分为汽车一１０级、汽车一１５级、汽车一２０梁桥为计算模型，对三种荷载作了比较和分析。

三种汽车荷载的影响，必须选取一个统一的计算模型。为计算简便起见，选择全宽８ｍ至５０实心箱梁（见图１ｍ≤Ｌ≤２５

混凝土为ｃ３０；当跨径Ｌ≥３０凝土箱梁（见图１凝土简支梁的冲击系数进行比较。

在５２冲击系数的比较

收稿日期：２００６一０５—１５

时，冲击系数斗＝０．３０；当ｋ≥４５为横坐标轴，则可由两点式直线方程得

作者简介：王瑞琦（１９７４一），男，辽宁沈阳人，工程师，从事道桥工程设计工作。

２００６年９月第５期

城市道桥与防洪

科技研究

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一＝＝一

（肛２一肛。）（肛一ｐ２），即

（Ｌ２一Ｌ。）（Ｌｏ—Ｌ２）（Ｏ一０．３）（肛一０）

（４５—５）

一

（Ｌ。一４５）

整理后可得插值公式

斗＝０．３３７５—０．００７５ｋ（５ｍ≤ｋ≤４５ｍ）

（１）

《城市标准》车道荷载的冲击系数

斗＝２０／（８０＋ｋ）

（２）

当ｋ２０

ｍ时，¨＝０．２；Ｉ庐１５０ｍ时，斗＝０．１。

《新桥规》冲击系数的计算有了本质的改变，它不以计算跨径为依据，而是以结构基频ｆ为依

据：

当ｆ＜１．５Ｈｚ时，ｐ＝ｏ．０５当１．５

Ｈｚ≤ｆ≤１４

Ｈｚ时，ｐ＝ｏ．１７６７Ｉｎｆ—ｏ．０１５７｝（３）

１

当ｆ＞１４

Ｈｚ时，肛＝ｏ．４５Ｊ

对于简支梁桥结构的基频可用下式估算

ｆ＝盖＼／罢

（４）

ｍ。：旦ｍｃ＝一

（５）

Ｌ），

式中，Ｉ广结构的计算跨径（ｍ）；

ｇ

Ｅ——结构材料的弹性模量（Ｎ／ｍ２）；Ｉ。——结构跨中截面的截面惯性矩（ｍ４）；

弛——结构跨中处的单位长度质量（ｋ咖），

当换算为重力计算时，其单位应为

（ＮＳ２，ｍ２）：

Ｇ——结构跨中处延米结构重力（Ｎ，ｍ）；

ｒ重力加速度，ｇ＝９．８１（ＩＩｌ／ｓ２）。

基频计算数值见表１。

表１基频计算表

按《新桥规》、《旧桥规》和《城市标准》算出的冲击系数值列于表２中。从表２可以看出，《新桥规》比《旧桥规》和《城市标准》的冲击系数都高很多。当跨径大于３０ｍ时，《新桥规》比《旧桥规》大

万　

方数据的更多。而《城市标准》则在小跨径时与《新桥规》相差较多，在较大跨径时则与《新桥规》非常接近。

表２冲击系数比较表

３最大弯矩的比较

简支梁的最大弯矩位于跨中截面。《新桥规》

和《城市标准》规定均布荷载和一个集中力作为标准荷载，这样求最大弯矩就比较简单：

ｋ浮＋等）胁…肛，㈦

式中，ｑ——均布荷载（ｋＮ，ｍ）

Ｂ——集中力（ｋＮ）肛——冲击系数。

而《旧桥规》是以汽车车队进行计算，以一辆挂车进行验算的。这样，桥上有多个集中力，计算就繁琐得多。下面以一辆挂车为例说明其计算方法。计算简图见图２。

Ａ

Ｆ—』』—兰世兰Ｂ

单位：ｍ

图２挂车计算简图

当计算跨径ｋ较大时，挂车的四个轴都作用到桥上才能使弯矩达到最大值。如果ｋ较小时，就要考虑有的轴不在桥上的情况。这里假定

ｋ２９

ｍ，四个轴都作用在桥上时，才会取得最大

弯矩值（见图２）。设最右面的一个轴距支点Ｂ的距离为ｘ。

支反力

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耻坐盟型竽幽

科技研究城市道桥与防洪２００６年９月第５期

表４公路一Ｕ级、城一Ｂ级、汽一２０、挂一１００

：墨查至复篁些墼壅！兰篁！型：竺！

Ｐ（４ｘ＋１２．８）

篙麓二：Ⅱ蓑茁凝Ｍ轰．聊．４（ｍ）

级Ｍ２级ＭＡ２０Ｍ∞Ｍ瑚×１．１，１．４…一叫…一－。×１．１，１．４

Ｍ棚：Ｍ删：髫恐厶

尬＝ＲＡ（ｋｘ＿１．２）一９．２Ｐ

：！竺兰坐掣堡！坐＿９．２Ｐ

…‘

上０

由ｄＭ瑚ｘ＝０，得一（４ｘ＋１２．８）＋４（Ｉ矿ｘ—１．２）＝０解得ｘ＝Ｌ陀一２．２＝１２．３

ｍ

将ｘ代入Ｍ。中，即得到最大弯矩。

对于汽一２０和汽一超２０的算法与上面相似，只是要考虑整个车队会有几个轴作用在桥上才能使弯矩取得最大值。

表３列出了公路一Ｉ级、城一Ａ级、汽一超２０和挂一１２０的最大弯矩值。

４最大剪力的比较

表４列出了公路一Ⅱ级、城一Ｂ级、汽一２０表５是公路一Ｉ级、城一Ａ级、汽一超２０和和挂一１００的最大弯矩值。

挂一１２０最大剪力值比较表；表６是公路一Ⅱ级、考虑到挂车组合时要乘１．１，汽车组合时要乘城一Ｂ级、汽一２０和挂一１００最大剪力值比较表。１．４，为了便于比较，表中将挂车值乘以（１．１／１．４）从表５中可以看出公路一Ｉ级与城一Ａ级在Ｌ≥

予以折算。

２５

ｍ的大跨径范围内最大剪力值相当接近，误差

从表３中可以看出公路一Ｉ级与城一Ａ级的仅为６％。而在小跨径则起伏较大。公路一Ｉ级与

最大弯矩值是比较接近的，在Ｌ＝１３～４０ｍ范围内，汽一超２０在Ｌ＝１３～３０ｍ的中等跨径范围内相当

误差仅为±６％。而公路一Ｉ级比汽一超２０则大接近，误差不超过７％，在较小跨径和较大跨径，（１０～２０）％，冲击系数增大是其中一个原因。挂一公路一Ｉ级比汽一超２０最大剪力要大

１２０的折算值低于汽一超２０，不控制设计。

（１０～２０）％。

从表４中可以看出，公路一Ⅱ级与城一Ｂ级公路一Ⅱ级与城一Ｂ级的最大剪力值起伏较荷载则起伏较大，误差在±１５％左右。而公路一Ⅱ大，在１５％左右。公路一Ⅱ级与汽一２０在Ｌ≤１６级与汽一２０则比较接近，尤其在Ｌ≤２０ｍ的小跨ｍ的小跨径范围内很接近，误差不大于８％。而在径范围内，误差在８％以内。大跨径相差较多也是较大跨径范围内，公路一Ⅱ级则比汽一２０大１５％

由于冲击系数的影响。挂一１００的折算值低于左右，甚至更多。这里面冲击系数的影响占很大因

汽一２０，不控制设计。

素。

表３公路一Ｉ级、城一Ａ级、汽一超２０、挂一１２０

表５公路一ｌ级、城一Ａ级、汽一超２０、挂一１２０

最大弯矩值比较表（单位：ｋＮ・ｍ）

最大剪力值比较表（单位：ｋＮ）

万　

方数据

２００６年９月第５期城市道桥与防洪科技研究

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表６公路一¨级、城一Ｂ级、汽一２０、挂一１００最大剪力值比较

表（单位：ｋＮ）

篙公曩；：Ⅱ装苌蠹五Ｑ基ｊ．嚣４（ｍ）

级Ｑ２级Ｑ＾２０Ｑ∞

Ｑ１０Ｄ×１．１，１．４。“。‘。珊。２×１．１／１．４

Ｑ艘：Ｑ√Ｑ：０能

５５２２．３４６３．７５３０．３３４１．６０．８９１．０２Ｏ．６５８５５６．５２２．７６０２．５４５４．９Ｏ．９９１．０８０．８２ｌＯ５８２．１６１１．６６２９．６５２３．８１．０５１．０８０．９０１３６２２．Ｏ６９９．２６４８．７５８６．２１．１２１．０４Ｏ．９４１６６７２．８７８６．０６５５．３６２４．５１．１７０．９７Ｏ．９３２０７３１．４８９７．８６５４．６６５６．８１．２３Ｏ．９０Ｏ．９０２５８０８．１７０１．１６９５．３６８２．７０．８７０．８６０．８４３０８７９．２７５６．２７４５．２６９９．ＯＯ．８６Ｏ．８５０．８０３５９５８．６８１５．８７７３．５７１１．８Ｏ．８５Ｏ．８１０．７４４０１０３４．８８７４．９

７８５．０７２１．２０．８５Ｏ．７６Ｏ．７０４５ｌ１０８．９９３３．７８１４．６７２８．６Ｏ＿８４Ｏ．７３Ｏ．６２５０

１１７９．２

９８９．８

８６６．７

７３４．２

Ｏ．８４

０．７３

０．６２

５荷载横向分布的影响

以上是按简支箱形梁进行整体计算的，没有考虑荷载横向分布的影响。对于铰接Ｔ梁和空心板桥，则必须考虑荷载横向分布的影响，求出最不利的一块板梁的最大弯矩值和最大剪力值，用以控制全桥的设计。

在《城市标准》第４８页有一个计算示例，分别用城一Ａ、城一Ｂ、汽一超２０、挂一１２０和汽一２０、挂一１００等各种荷载对某铰接Ｔ梁桥进行了计算。跨径Ｌ＝３０ｍ，净７，五根主梁，主梁间距１．６ｍ。计算结果见表７。

表７最大弯矩（ｋＮ・ｍ）和最大剪力（ｋＮ）折算值汽一超２０挂一１２０城一Ａ级汽一２０挂一１００城一Ｂ级

×１．４

×１．１

×１．４

×１．４

×１．１

×１．４

从表７中可以看出，汽一超２０与城一Ａ级最大弯矩的比值为（２３０２．２８／２４１７．５２）＝Ｏ．９５最大剪力的比值为（３４５．２４／３５５．７４）＝Ｏ．９７，二者是比较接近的。但挂一１２０×１．１与城Ａ级×１．４的最大弯矩比值为（２８１５．３４／２４１７．５２）＝１．１６，最大剪力比值为（４２６．６６／３５５．７４）＝１．３０，显然，挂一１２０比城一Ａ级的最大弯矩和最大剪力值要大得多。同样，汽一２０与城一Ｂ级也比较接近，但挂一１００要比城一Ｂ级大得多，最大弯矩比为（２３４６．０８／１４８６．６６）＝１．５８，最大剪力比为（３８５．５５／２５６．０６）＝１．５１。可见，在本示例中，由挂车控制设计。

一般来说，对于铰接板、梁桥，公路桥梁荷载（旧桥规）的内力比公路桥梁荷载（新桥规）和城

万　

方数据市桥梁荷载的内力大。其主要原因是挂车控制设计。

６结论和建议

６．１结论

城一Ａ级、公路一Ｉ级和汽一超２０（含验算荷载挂一１２０）基本上是同一量级的荷载。其中，城一Ａ级与公路一Ｉ级更为接近。

对于不同类型的桥梁结构，各种荷载产生的内力大小各不相同。对于简支箱梁结构，城Ａ级和公路Ｉ级产生的内力比汽一超２０（包括挂一１２０）要大；对于铰接梁板桥，则反之。

城一Ｂ级、公路一Ⅱ级和汽一２０（包括挂一１００）与上类似。

６．２问题

虽然新、旧公路桥规和城市荷载基本上是同一量级的，但对于接近设计荷载时，这种差别就会体现出来了。完全达到公路一Ｉ级设计荷载的车辆，经过城市一Ａ级的立交桥就不一定能够通过，反之也是如此。车辆在经过高速公路后往往也要通过城市，从城市出来的车辆往往也要通过高速公路。荷载不是很大时不会出现问题。但在接近设计荷载时，就必须进行验算。这就给交通运输带来了麻烦。对于设计部门来说，不同的荷载标准就要编制不同的程序和标准图，也要浪费一定的人力

和物力。

出现这个问题的原因是，城市桥梁荷载标准

是由建设部负责制订的，而公路桥梁荷载标准是由交通部负责制订的。各部之间缺乏沟通和协作，就出现了目前的状况。

６．３建议

建设部与交通部的有关专家协作，共同制订一个全国统一的荷载标准。这对设计工作和交通运输业都会提供很大的方便条件，利国利民，社会效益和经济效益是显而易见的。

参考资料

［１】《公路桥涵设计通用规范》（ＪｒＩ＇ＧＤ６０一２００４）中华人民共和国交通部行业标准【ｓ］．

【２】《公路桥涵设计通用规范》（ＪＴＪ０２１—８９）中华人民共和国交通部部标准【ｓ】．

【３】《城市桥梁设计荷载标准》（ＣＪＪ７７—９８）中华人民共和国建设部行业标准［Ｓ］．