11-美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范中關(guān)于設(shè)計汽車荷載的研究

1、公路橋據(jù)沒it規(guī)屮汽1 錢的研究 fe懷利f65美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范中關(guān)于設(shè)計汽車荷載的研究阮懷圣，馬潤平(中鐵大橋勘測設(shè)計院集W冇限公司.湖北武漢430056)摘 要：笑IM公躋橋來沒計規(guī)范(AASIITO LkFh)中沒計汽乍俏錢種炎衫桿H.U眾介招該規(guī)范屮關(guān)十 HL93沒M汽牟蒭鯪的和又規(guī)丄.以及ft栽彩鴯線的動態(tài)艦M法分析廉理進(jìn)rfu研宄殳軸形式的 HL-WS計汽卒碑找在MIDAS Civil通用有M元軟打屮的快速實現(xiàn)方法,對M外M實橋進(jìn)行HI.-93設(shè)計汽年 薷載效A分析并與屮W規(guī)范做對比分析 結(jié)果表«!««*等裁雄-梁著軸郎的塌加主梁支點負(fù)穹 矜屮1E

2、穹妬戰(zhàn)漸城小iiftjMifil-a?的増加妗屮1EQ»!姑本1變支點負(fù)勾矩兄現(xiàn);tm人Iftjr；逐漸城小的拽汴，.屮 W公略I級與夾ra HL 93設(shè)計汽午«快效構(gòu)扣比主梁的力勾跨中E與ft- iii A比Ifi秭大.支點ft筠前*比招 矜小1S外左；G*關(guān)轤調(diào)：AASHTO LRFFhit計汽本舞我i影響淺：動態(tài)規(guī)劃法:分析 中困分類號：U44l.2iU442.51文獻(xiàn)標(biāo)志W(wǎng): A文章纗號：1671-7767(2012)01-0065-05994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

3、rights reserved, I引言隨著中國橋梁辻設(shè)的快速發(fā)展.中W橋梁設(shè)計 逐步向海外市場拓展在亞洲、非洲等地承袒建設(shè)各 種ft速公路和橋梁11。U前在很多非洲和什.洲W 家.災(zāi)國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(AASIIK) LRFD)被曹 遽接受，AASHTO LKFD(1994)中設(shè)計汽車荷轂 種類多樣其不(H存車道份栽，而I L介變軸斯.變車 卵笄形式的車鶼荷級.這與屮w公路橋涵設(shè)計a用 規(guī)范(JTG D602004(簡稱屮ffl 04規(guī)范對P汽 車荷伐的規(guī)記冇牧人+ 對AASHTO I.REI) (1994)中關(guān)于HL-93設(shè)計汽乍荷栽的相關(guān)規(guī)定及 其在通用有限元軟件中的劣現(xiàn)方法進(jìn)行研ft,

4、并與 中田規(guī)范作對比分析.2 HL 93設(shè)計汽車荷載2.1多車逬荷a布黃參照 AASHTO LRHX1994)第 3.6.1. 1條.與 衫午道進(jìn)行疴戰(zhàn)布背時W考慮橫向折減，屮、關(guān)網(wǎng) W沒ilW范對半道撗向折減系數(shù)的取值左W較人 (見農(nóng)1).由農(nóng)1可見.丨個車道時AASHTO LR- FD(1994)的車道檐向折減系數(shù)大于1，這主要是因 為ii拽范足按2個小W按照中個:道來統(tǒng)訃 的.因此為只有1輛車作用在橋上時，有可能比料 作用在析I.吋的仟意-輛牢還要里，故取值1.2 n 合實際怕況。外.AASHTO LRFD(1994)與中H 04現(xiàn)范相比.乍道搽14折減系數(shù)大，表1車道橫向折滅系數(shù)取值.

5、午道折減系ft w取ftm| _2選 AASHTO LRFIX 1991)(1 )中曲 041 1.201.001.202L00LOOI. 0030.350. 781.0910.850.671.2750.8S0.601.42fi0,35D.S5L5570.850.521.6380.85O.SO1.702.2沒計汽車權(quán)的炎切AASHTO LRFD( 1994)規(guī)*對子 1 輛設(shè)計 il 車«ft(HL-93設(shè)計汽車荷栽)，應(yīng)包括卜列2項 的組介:a計貨車或設(shè)計軸1a計車道«載設(shè)計貨每:的前車軸呎力35 kN.兩后車軸釈為 145 kN.2個145 kN的軸跑在4. 3-9.0

6、 m之間變 化.橫向輪跖1.8 m;沒i|雙軸應(yīng)乜括1對110 kN 的軸重，粬跑1.2 m,橫向輪距1.8 m;設(shè)計車逬萄 載由1個9. 3 kN/m的縱向均布荷載組成，橫向銀 定沒計午逬荷我均布在3.0 m的寬度上。HL-93 中1輛設(shè)計汽午荷荘的計»閣示見閣1。2.3設(shè)計汽乍荷權(quán)的選用»則AASHTc LRFD( 1994)規(guī)定，對于設(shè)i|汽車ft 轂產(chǎn)生的fi大內(nèi)力效W取F列3種悄況的ft大也: 沒汁雙軸的效應(yīng)1j設(shè)計車堪菊栽效應(yīng)的疊加;I 輛沒計貨f:(變軸距)的效應(yīng)沒H東道(i載效1、5的 竹加：2納設(shè)汁KT效應(yīng)的90% 設(shè)it午邊荷®收 W卩 _:2

7、011-的一19作者閨介：懷(1982-).yj. EKW.2006屮畢業(yè)rWl«1交通人學(xué)土木Iff V業(yè).1.學(xué)f »：.2008牢畢f(xié)t f A A通人孚橋梁Eft 專業(yè).L學(xué)場 fc(E-mail：ranRlvUa! 163. rom.IW公FS橋比ttil規(guī)&屮X j- W il汽1兌錢的研宄 奴懷十 'Y6735 kN145 kN14S kNI,rr(a)沒if貨T佾伐no kN 110 kN 丄c)(乂1.2b(b)設(shè)計雙軸兩錢(c)沒計車道角我，位：a圖I Hl. V3設(shè)計汽車荷數(shù)的計3圍示1994-2012 China Academic J

8、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved, 圈2汽一20荷載計算囹示效碎的90%的盤加(本條K針對2個慪錢反穹點之 間的矩及肉墩反力)。2輛Sil ft 的布迓方 式為：G午的前軸*nW的C軸之間的乍距不小丁-15 m毎解貨車中的2個145 kN的柚駔為1.3 m.掠1:所述.結(jié)構(gòu)的不同ft栽內(nèi)力效應(yīng)職分析 工況W農(nóng)2_表2設(shè)計汽車荷教產(chǎn)生的鱖大內(nèi)力效應(yīng)及分析工況沒汴汽乍ftrt夾咿分析1況1輞番計ft車<A>內(nèi)墩S力、2個hi級反巧點之叫的(ft巧矩外堆反力、鈞力*2個反穹點之間的正彎矩設(shè)計雙轎(B)設(shè)計l&#

9、171;(c)2|R設(shè)計費(fèi)車<D>mRx( A * C.B+C，0. 9C+0. 9D>max(A + (B+C)3彩響線計算原理介紹AASHTO 1.RFIX 1994 )汽乍荷拔的計算箱費(fèi) 利叫彰響線2進(jìn)打，以公路橋涵設(shè)訃通川鴂范> JTJ02I89中汽一20車輛菊弦為例對其計算原 押8*4做»要介紹.計算曲示見B 2.苗先研究1列輕車(即乍列中沒有®今:的怕 況。用來表承作用于z處的丨輛輕車對內(nèi)力的 影晌值:/(') =十pzy<t 士 ft)式中為影響線在/點的縱平標(biāo)。假沒妗午:布我b< M為“ .6.在0.6卜.H時布

10、茛w輛汽車其車位為-<tb,則此 »輛乍的總影響值為:鏵 F(W.h “2 "/«) =Ttt.求K時a.6卜.1列起的記+利內(nèi) 力M(a,6)可歸結(jié)力求H仃變(».“, “ ')的 吶數(shù)!:(：“'”.C>在找性約束卜的扱人仉 M題：= max! maxF(n./| ./)這足一個數(shù)7: W劃問題.W屮敁為饤效的數(shù)tti 解法為Bellman提出的動態(tài)規(guī)劃法。按照動態(tài) 規(guī)劃的本»押.可讓V. l"J題的遞推公穴。杓選 捍步長A 將布我I*:問«,/>肉敝化，此少長將1<問 m等分，則

11、等分點位置為:X, = a 十'X A </ = 0,1，'"> ，“ =(I)： + /A)/A ；lC 乂2 = (Du + /Z +LMA則|X(R«-r.上W輛輕乍Ilf能發(fā)t的Jd個利內(nèi) 力Uh = M(a，！,)，經(jīng)數(shù)學(xué)推紓知«.G)滿足如 下遞推公式：M.ii (f) = max ： /(X,) + uH(i Li".，(' 一 1)- 利用上式可依次求得MitOXw/Xtfid), u, (Nt),則 M,(wi) = jU(u ./;) I* M 上籽車引起的砧不利內(nèi)力tf。對T在汽車4-隊中(攻Y的

12、悄況可將整個車 隊fi ll山3部分組成:重車本fl 它的加理內(nèi)力記 作(;< I山X車左込的標(biāo)準(zhǔn)車.該標(biāo)準(zhǔn)車產(chǎn)生的內(nèi) 力值«.( !-/>,)»篥車右邊的標(biāo)準(zhǔn)車.該標(biāo)準(zhǔn)車產(chǎn) 生的內(nèi)力值當(dāng)重車擺在處(見H3 吋，就得到此時列車91起的內(nèi)力LCr.):L(.r. > = (V( j , > 十<)/*|)十 ii.()十 In ) 將乎:車逐次在裱個區(qū)M托分點布筲，則可求得 糧個列車作用下的總的鉍大內(nèi)力為：.V/ = maxL(xt) (i = 0.1 ./«)4有限元軟件中HI.-93設(shè)計汽車荷數(shù)的實現(xiàn)4. I變軸8、變車妒的實現(xiàn)方法

13、HL-93設(shè)汁W車荷裁摘®類型多樣.ft存在 變軸Hi、變牢形穴.01W內(nèi)IIiWlIW的疥梁V業(yè) 軟件還沒冇針対® W橋梁設(shè)計現(xiàn)范專門開發(fā)的模 塊，因此給I程師的海外橋梁設(shè)計帶來定的布®,行th.D* O»Pi*fh圍J重車加數(shù)位置MIDAS Civil軟件是H前橋梁設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用較 為廣泛的通用空間釘限元軟件之一，K對于汽車ft 戰(zhàn)的計鋅fe埋采川的也足動態(tài)規(guī)劃理論.例在W體 操作處理上顯M更加方便.該軟件可通過“用戶自 定義”的方式任意定義窄輛的軸攻 '軸職以及4:職.從 Iftj形成一卒輛荷。對于HI.-93沒計汽T荷珙中 車輛的變軸距以及

14、變r距問購可以通過妃義“午輛 組”的方式來實現(xiàn).即每隔K千炬離（軸Hi或車 此）將其定義為-車輛荷載，然后不同摘K（成車圯 的車輛定義到冋-個"車輛份伐組”屮.對丁埒一個 “V輛荷錢組'按照影響線般不利方式進(jìn)行加餞.從而 計釕出It結(jié)構(gòu)的荷我內(nèi)力效A.Jii后冉對外個“乍輛 荷載組”按照衣2中的分析I:況進(jìn)行效應(yīng)組介分析。經(jīng)反H瀾試發(fā)現(xiàn)該W序?qū)?#163;“汁車逬”沿錢i4 以n動計入沖擊系敗.而-沒計貨車與“沒汁雙軸” 荷載由于只能用“掛車菊載”類型來模擬.而程序?qū)?干該種釣伐災(zāi)m未能汁入沖山系數(shù)< w此.為了汁 符心迚達(dá)議d:移動荷伐分析前處理銫體il 時先 忽略沖

15、山系數(shù)的影響，而將Jt放在G處現(xiàn)的荷載組 介中以紐介系數(shù)的方式農(nóng)芩出改閃尜的影響， 4.2加我方法MIDAS Civil的移動加ft h式分為2種：fi +利點的影響淺加伐：所介點的影響線加®。W小利點加錢:4:輪只加戰(zhàn)在®內(nèi)力W大、®小的位置，即當(dāng)前、后車輪位丁影響線WV不 同的區(qū)域吋.忽略負(fù)值（或lEfrt）。該方法的結(jié)果將 比實h結(jié)果稍人.a川于所仃移動荷載的強(qiáng)度加錢。 所打點加戰(zhàn)：*J影響線的lE.ft符號尤又.各炎 中荷栽依次沿著乍道進(jìn)行，加栽3所有點t，該方法 接近于實際荷我的作用情況.適月! f火車等列車荷 媒的影響線疲勞加級，因此.HL-93設(shè)計汽

16、乍荷載可使用-最不利 點”的影響線加弦方式。4.3車輛W不利加伐位罝的確W對于菜加裁£況下，如何確定車輛的最不利加 載位筲也垃沒計人心的問題。據(jù)f解內(nèi)人 多數(shù)專仆橋梁軟件般都只輸出W不利內(nèi)力，并小 提供車輛的»不利加栽位置，這對f要求精細(xì)的海 外橋梁結(jié)構(gòu)沒汴來說.V.得相、不足.對子此問題MIDAS Civil Hi供了一種快速斛決方法-移動 荷ttic蹤器”，該tw可以力便、快速地追蹤并n觀 地W示#致梁單元產(chǎn)t撾大（般小 > 內(nèi)力崦 反力）的車輛加我位罝，5算例分析非洲蘇丹共和ffl某橋為（3O+5X4O + 3O） m的 連悚！4講梁裝配式公路鋼橋.押論計釕跨垵

17、分別為 30. 18 m 和 39. 624 m.貝（I；梁標(biāo)準(zhǔn)段長 3. 048 m, 離2. 13.1 m雙向兩車道位FWffK內(nèi)側(cè).車道序?qū)?. 35 in，多車道系數(shù)"' = 1.0.活tt沖擊系數(shù)丨+戸=1.196.主梁橫斷面見曲4.7 350圖4貝宙梁橫斷面示意 si汽車荷a加鈸分析5. 1 1敁不利加ft I:況該橋采用AASHTO LRFIX199O進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè) 計，為簡化計算，汽車荷栽計鋅時只考慮其中1片1： 桁.且按照加栽1車道考進(jìn)其中支座最大、最小反 力值見陽5.«對應(yīng)的®不利加載況為0.9X（設(shè) 計東道銪載十2輛沒計貨fnj ft）

18、I剪力包絡(luò)田見ffi«令&力|大fi力_505丨 I 0021 0416. 其對應(yīng)的ft不利加我T.況力0. 9X （設(shè)計車進(jìn)菊 後十2輛沒計貨個荷戰(zhàn)）：巧妬包絡(luò)mwjvi 7,jt對極 的番不利加級I:況為時中垣大正彎矩：1輛設(shè)計貨 車載十S計車遒梅栽*支點最大負(fù)穹矩:0.9X（設(shè) 計車逬荷我+ 2輛沒計貨車荷我）。圈S支座反力值從W5閣7可見.采用HL-93沒計汽車ft 伐lM,i崦反力.I.梁叻力及i點W大負(fù)巧對叫的 »不利加栽n況均為設(shè)計車道b 2網(wǎng)設(shè)計貨車ft載 i«jw加議：上梁跨屮w人正a圯對應(yīng)的w小利加a 匸況為1« s計貨年w錢

19、與設(shè)計+:逬«錢冋吋加栽，5. 1.2最不利I:況下的車輛布錢怙況以第3支點產(chǎn)生敁大負(fù)彎矩的鉍+利加錢工況 為例.K車輛布奴位罝見18.鐘大i 663»太671最A(yù)t 673 蛐大672鱸大：667最人：3 624 最人：3 651 贛大：3 624單誑,kN.nffi?彎矩包絡(luò)93X145 kN 3X145 kN沒計貨T««T*介W第3支點S大負(fù)彎矩影明錢及費(fèi):不利工況下的車輛布i沒汁+:通微錢布置囹H由W 8 iifAL.弟3 i點產(chǎn)生砬大負(fù)巧矩時.一 2 輛設(shè)計貨車荷載中兩車的車距為21.36 m,且前車 距離支點的距離為12. 19 mi4設(shè)計車

20、道荷tt”加級 在® 2與染3跨.5.1.3中，關(guān)兩W Hl i&效碎對比分析 喊屮、央兩B設(shè)計車荷栽效應(yīng)做了對比分 析表3_表J中、美兩國沒計汽車荷紱效應(yīng)對比份級薺級變KR力kM«力/kN克以ft巧fl! /kN iu時中正礙®/kN m中W公路1銀1 043750-3 1974 216公 KDtt782561-2 6233 162Xl« Hh-931 019673-4 0603 651由衣3可見:三宥中，中B公路U級荷tt的內(nèi) 力效應(yīng)最小I中H公路I級與突B HL 93設(shè)計 汽車荷釵怍用卜支痄反力堪本相3土梁剪力4跨 屮正彎矩前者比后者大10

21、%15%，但是支點負(fù)穹 矩翁#比后者小15%左右。5.2車圯、軸此對份a效應(yīng)的影響HL-93設(shè)計汽車荷我屮“丨輛設(shè)計汽車荷 精距在4.3-9 m間變化.“2輛設(shè)計汽車荷K”車跑 不小于15 m為分析這2個參數(shù)對荷律效應(yīng)的彩響 規(guī)律.對酋文中提到的實橋運(yùn)用HL-93設(shè)計汽車 荷伐進(jìn)行加伐分析.蓯汽乍軸距、卞距對荷伐效應(yīng)的 影響w.ra 9.從閿9珂知：隨葙軸距的增加，屮梁支點負(fù)彎1 000 +支點負(fù)+ 觭屮WHi/m(a)軸距對荷載效應(yīng)的影響2 500r(b) T昨?qū)尚挠皢B0B9汽車軸距，車距對荷數(shù)效應(yīng)的影響 矩、歸中正穹矩逐漸減小，軸距在4.3 m時荷裁效 應(yīng)込刊記人：站獰車撲的増加跨中

22、正依本+ 變.似足支點負(fù)3矩先增大而后逐漸減小.并在牟fli 為22 m左右達(dá)到妯大。IW公路tt梁Sit規(guī)fc屮X r沒il汽視的研究fit懷 3利Y696結(jié)論U）運(yùn)用 MIDAS Civil 枵卬對 AASHTO I.R- FD（1994中HL-93設(shè)計汽車荷栽進(jìn)行分析時，應(yīng) 注意荷栽加栽方式的籌別以及沖擊系數(shù)的£瘌考慮 方法.并贐議在前處理整體計算時宄忽略沖*系數(shù) 的影響.而將K放在后處砰的荷我組介中以紐介系 數(shù)的方式來考慮。（2）采用HL-93設(shè)計汽1:荷錢吋支痄反力、 上梁剪力及i點Ai人對悶的敁4、利加伐I:況 為設(shè)計車道與2輛議汁貨¥荷我M時加載（考慮0.9

23、的系數(shù)）.而主梁W中最大正彎®對應(yīng)的B不利加班 況為I輛沒計貨車麴栽與設(shè)計車遒倚載FJ吋 加栽.（3）X-J T- 40 m跨的多矜等艤而迕紋梁.屮W公 路I級與關(guān)國HL-93設(shè)計汽車荷栽效應(yīng)對比結(jié)果 K示：支座反力衹本相豐，生梁剪力勺跨中正巧炻前 者比后齊大10%15%.i點負(fù)彎矩ift行比后者小 15%左右。（4）對40 m跨的多跨等截面連續(xù)梁.車距，軸歷對ft議效以的影響規(guī)什農(nóng)現(xiàn)為：隨石軸距的增加. 主梁支點負(fù)彎矩、碑中正巧矩逐漸城小.軸距在4, 3 m時荷我效內(nèi)達(dá)到撾大：隨行乍趴的W加.跨屮iE6 矩本不變，但是支點負(fù)彎矩先増大面后逐漸城小。 參考文獻(xiàn)：1 劉 利.關(guān)子中笑橋

24、蜿設(shè)計準(zhǔn)則的對比及祖考J.橋 梁建沒.2007.（6）:3437.2 范曲.疥噯l:fVM.北以：人W交通出KIL.2001.3 楊納珙.公賂橋梁屯待鈁二版）M.北Mi人氏交通 出販杜UWS._L - fr:. - V. H不利內(nèi)力的汗算公賂，1980 12）,2023.5 記優(yōu)化ff論1法：M.北兌：講平人亇出坂 H .2005.6 利洪#.川動態(tài)W釗的方法求影響線極位門.叫川辻 筑.2008, 28（5）： 158-162.7 王AR.*少波石明番.屮笑橋梁設(shè)U規(guī)范的內(nèi)力it算 比較研究J.卅界橋粱.2007,（4）,7880.（編鉺：趙興雅1994-2012 China Academic

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26、ck loads in the AASH 1() LRFD Bridge Design Specifications arc varied and complex. In this paper the relevant provisions on the truck load HL-93 in the specifications and the analysis philosophy of dynamic programming method for influential lines of the load arc presented and in a further step% the method for rapid executing of the load HL-93 of variable axle spacing and variable truck spacing types in the general finite element software MIDAS Civil is studied. The effect of the HL-93 of a foreign bridge is analyzed and the analysis is compared to that based on the Chine