中歐規(guī)范對公路橋梁活載計算的對比分析

中歐規(guī)范對公路橋梁活載計算的對比分析

1歐洲規(guī)范橋梁活載效應(yīng)的對比分析正確計算道路橋梁的設(shè)計載是影響橋梁結(jié)構(gòu)安全合理設(shè)計的重要因素之一。不同國家的橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定了橋梁的運營載。由于技術(shù)進步、地理環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點，不同國家和地區(qū)的計算方法不同，因此在這些模式下產(chǎn)生的運營荷載效應(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)范進行設(shè)計,這就迫切需要研究歐洲規(guī)范橋梁活載的計算特點,并與中國規(guī)范進行對比分析,找出異同,以便工程師熟練合理地運用歐洲規(guī)范進行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計。本文主要解析了歐洲規(guī)范中在常規(guī)公路橋梁設(shè)計時需要考慮的汽車荷載、汽車離心力、人群荷載、汽車制動力、風(fēng)荷載、溫度作用等活載計算的相關(guān)規(guī)定,并與中國規(guī)范的相應(yīng)條款進行了簡要對比分析,最后運用2種規(guī)范對某橋梁結(jié)構(gòu)的活載效應(yīng)進行了計算,并做了對比分析。2橋梁設(shè)計的活載計算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個荷載模式既能用于整體驗算,也能用于局部驗算,荷載模式4只能用于整體驗算。對任何設(shè)計狀況,當(dāng)實際情況需要考慮該荷載時,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)計狀況使用。2.1.1集中荷載調(diào)整系數(shù)q和局部驗算荷載模式1由雙軸集中荷載(TS)和均布荷載(UDL)組成(見圖1)。雙軸集中荷載每個軸重為αQQk,αQ為調(diào)整系數(shù),在整體驗算時,每個車道只考慮1個雙軸集中荷載(即2個軸載),每個軸包含2個單獨的車輪,每個車輪的荷載等于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算,行車道按每3m劃分為1個理論車道,產(chǎn)生最不利效應(yīng)的車道編號為車道1,產(chǎn)生第2不利效應(yīng)的車道編號為車道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)測的交通和公路等級的不同進行選擇,當(dāng)調(diào)整系數(shù)取1時,代表交通中很大一部分是重型車輛,對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會適當(dāng)?shù)臏p小10%～20%。荷載模式1在用于局部驗算時,將雙軸集中荷載布置在最不利位置,每一個車輪的輪壓區(qū)域視為邊長0.4m的正方形,相鄰2個車道的2個輪軸的距離應(yīng)不小于0.50m(見圖1)。荷載模式1標準值見表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位置,當(dāng)作用在伸縮縫附近時,應(yīng)乘上附加的動力放大系數(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600kN總重的車輛,由4個間距為1.5m、150kN的軸載組成,而對1800kN總重的車輛,可以由12個間距為1.5m、150kN的軸載組成,也可以由9個間距為1.5m、200kN的軸載組成。當(dāng)車輛總重超過3600kN時,需對具體工程單獨定義。荷載模式3主要應(yīng)用于一些特殊車輛荷載。對荷載模式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,車輛荷載不考慮動力放大系數(shù);當(dāng)以正常速度行駛時,考慮動力放大系數(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,在車道1上布置特殊車列(對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,只需在車道的其余部位布置荷載模式1的車輛荷載,布置了特殊車隊的車道上不再布置荷載模式1的車輛荷載。2.1.4風(fēng)險模式組合荷載模式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)時考慮,且只用于短暫設(shè)計狀態(tài)的驗算。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)的整體驗算,后者用于局部驗算。車道荷載又分公路Ⅰ級和公路Ⅱ級,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,均布力為線荷載,多車道時考慮折減。中國規(guī)范局部分析時采用車輛荷載,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,橫向車輛最小間距為0.6m。可以看出,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,歐洲規(guī)范中汽車荷載值均已考慮了動力放大系數(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)(也即動力放大系數(shù))。2.2中國規(guī)范汽車荷載制動力特性下表2歐洲規(guī)范中制動力Q1k為作用在行車道表面的1個縱向力,其標準值不大于900kN,按照對應(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行計算,Q1k=0.6αQ1×(2Q1k)+0.1×αq1q1kw1L,(180αQ1)kN≤Q1k≤900kN,制動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)范汽車荷載制動力按車道荷載標準值在加載長度上計算的總重力的10%計算,對公路Ⅰ級不小于165kN,公路Ⅱ級不小于90kN。可以發(fā)現(xiàn),兩者制動力都與加載長度、車道荷載大小有關(guān),且都有限值的規(guī)定。但是,歐洲規(guī)范制動力大小與車道數(shù)量沒有關(guān)系,它的計算涉及到車道1的荷載大小、車道寬度,而中國規(guī)范制動力與車道數(shù)息息相關(guān),為避免數(shù)值過大,多車道時需考慮折減。2.3離心荷載計算歐洲規(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個點荷載。包含了動力效應(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,應(yīng)計算汽車荷載引起的離心力,汽車荷載離心力標準值為不計沖擊力的車輛荷載標準值乘以離心力系數(shù)C,C=V2/127R。式中,V為設(shè)計速度(km/h),按橋梁所在路線設(shè)計速度采用;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時考慮離心力,其大小與橋梁設(shè)計速度和曲線半徑有關(guān);歐洲規(guī)范在r≤1500m時考慮離心力,且大小與橋梁設(shè)計速度無關(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)不需要考慮橋梁動力響應(yīng)時,上部結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)力Fw可用簡化公式計算: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為計算面積。當(dāng)需要考慮縱向風(fēng)力時,歐洲規(guī)范給出了推薦值:對板橋,縱向風(fēng)力取25%橫向風(fēng)力;對桁架橋,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)按照一般公式進行計算,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)動力系數(shù);cf為力系數(shù);ze為計算高度(結(jié)構(gòu)地表面以上的最大高度);qp(ze)為計算高度ze處的動壓力峰值,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)力的計算采用統(tǒng)一公式Fwh=k0k1k3WdAwh,它綜合考慮了地形、地理條件、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(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橋面板頂、底施加一線性的溫度梯度(ΔTM,heat和ΔTM,cool)來實現(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梁體施加一非線性的溫度梯度來實現(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作用,但同時作用時須對二者進行調(diào)整,其調(diào)整系數(shù)ωN=0.35、ωM=0.75,則溫度作用表達式為: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)范對結(jié)構(gòu)進行活載的計算,其中歐洲規(guī)范汽車荷載整體效應(yīng)計算采用荷載模式1,中國規(guī)范采用公路Ⅰ級;汽車制動力按一聯(lián)48m進行計算;上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載按一聯(lián)進行計算,下部結(jié)構(gòu)以其中最高墩(9.1m)為例進行計算;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;計算汽車離心力時,假設(shè)橋梁處在不同平面半徑上。計算結(jié)果見表3及圖7。根據(jù)計算結(jié)果可知:(1)歐洲規(guī)范汽車荷載效應(yīng)比中國規(guī)范計算的要大,但應(yīng)注意,此處歐洲規(guī)范計算未考慮調(diào)整系數(shù),且在荷載組合時荷載組合系數(shù)不同,如在承載能力極限狀態(tài)驗算時,汽車荷載效應(yīng)的分項系數(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)汽車制動力歐洲規(guī)范計算結(jié)果較大。(3)汽車離心力歐洲規(guī)范計算結(jié)果較小,特別是半徑較小時,差別較大。(4)上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載歐洲規(guī)范計算結(jié)果較大,下部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載中國規(guī)范計算結(jié)果較大。(5)非線性梯度溫度中國