道路桥梁荷载计算与设计方法

王立新

摘要：桥梁荷载是指桥梁结构设计所应考虑的各种可能出现的荷载的统称。本文依托实测车辆的统计数据，对桥梁车辆设计荷载进行了研究和分析，为公路桥梁荷载设计理念和设计方法的逐步完善实现科学化和合理化。

关键词：设计荷载；公路桥梁；荷载效应；分项系数

前言

桥梁荷载是指桥梁结构设计所应考虑的各种可能出现的荷载的统称，包括恒载、活载和其他荷载。包括铁路列车活载或公路车辆荷载，及它们所引起的冲击力、离心力、横向摇摆力（铁路列车）、制动力或牵引力，人群荷载，及由列车车辆所增生的土压力等。在公路桥上行驶的车辆种类很多，而且出现机率不同，因此把大量出现的汽车排列成队，作为计算荷载；把出现机率较少的履带车和平板挂车作为验算荷载。车辆活载对桥梁结构所产生的动力效应中，铅直方向的作用力称冲击力、它使桥梁结构增加的挠度或应力对荷载静止时产生的挠度或应力之比称为动力系数μ，也称冲击系数。最近的研究成果把动力系数分为两部分：一为适用于连续完好的线路部分μ1；另一为受线路不均匀性影响部分μ2。动力系数则为μ1与μ2之和。在计算公式中，除考虑桥梁的跨度外，反映了车辆的运行速度和桥梁结构的自振频率。公路桥梁汽车荷载的冲击力为汽车荷载乘以冲击系数，平板挂车和履带车不计冲击力。

1公路桥梁荷载标准

2004年修订的《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）采用车道荷载形式。2004版公路桥梁荷载标准中规定：汽车荷载修改调整为车道荷载的模式，废除车队荷载计算模式。并且提出车道荷载的均布荷载kq和集中荷载KP的标准值

2荷载效应计算

2.1影响线计算

桥梁结构必须承受桥面上行驶车辆时的移动荷载的作用，结构的内力也随作用点结构上的变化而变化。所以需要研究并确定其变化范围和变化规律和内力的最大值此过程中作为设计标准。因此，需要确定的是荷载最不利位置和最大值。首先要确定在移动荷载作用下，结构内力的变化规律，将多种类型的移动荷载抽象成单位移动荷载P=1的最简单基本形式。只要经过清楚地分析内力变化规律，其他类型的荷载就可以根据单位移动荷载作用下的结构内力变化规律叠加原理求出。影响线是内力（或支座反力）在移动单位荷载的作用下的引起的变化规律的图形。所以，影响线是研究车辆荷载等移动荷载作用下桥梁结构内力最大值的基本工具。初步选定对周围环境的影响的工程规模及结构类型、使用要求、材料情况、施工条件、造价等因素，根据路基地质条件，几种可供考虑的路基处理方案。勘察工作提供的资料一般仅作一般性的对软土描述，土的物理力学组成状况性质指标没有提供。结构力学中认为影响线是一个指向不变的单位集中荷载沿结构移动时某一量值变化规律图形。实际上，影响线是以荷载位置为变量的某量值的函数。F＝f（x，y，z）（1）

有限元法目前被公认是求解工程中所遇到的各种问题的有效通用方法，实际上，其应用范围还要广泛得多。桥梁结构影响线一般采取此种方法。

2.2横向分布系数计算

计算原理是用一个近似的影响面去代替精确的影响面。荷载横向分布的原理可以归纳如下：（1）建立在用一个近似的内力影响面去代替精确的内力影响面的基础上。近似内力影响面可用变量分离得到，其坐标η（x，y）=η1（x）*η2（y）；（2）梁桥空间结构近似计算中，“荷载横向分布”仅仅是借用的概念，其本质是“内力”的横向分布。原因是在变量分离后在计算式的表现形式上成了“荷载”横向分布；（3）只有在一些特殊的条件下，比如常截面的简支梁桥承受按正弦曲线沿桥跨分布的荷载时才存在确切的荷载横向分布。荷载横向分布常用的方法：杠杆原理法：将桥面板看成忽略了与主梁之间横向联系的支承在主梁上的简直梁或悬臂梁；正交异性板法：换算成弹性平板来求解主梁和横隔梁的刚度。修正偏心受压法：考虑横隔梁刚性很大的主梁的抗扭影响；刚性横梁法：假定横隔梁变形后保持直线，刚性无限大；刚接板法：把相邻主梁之间的联系视为刚性链接，传递剪力和弯矩。

3桥梁荷载设计问题

目前桥梁设计中存在的主要问题是桥梁载重能力设计不足。桥梁在载重力有两种极限状态：承载能力和正常使用。由于承载能力不足，结构整体或某部位的稳定性在超出桥梁的承载极限后就会受到破坏，桥梁混凝土构件在重复荷载的情况下会超出疲劳极限而丧失稳定性。目前，在桥梁设计中有些规范不予考虑对于重复荷载产生的破坏，这样规定使得桥梁主梁设计非常有效，但是直接忽视重复荷载在桥梁其他部分设计，非常不利于桥梁安全性和年久性。

3.1加强管理

目前桥梁超载问题要尽量避免，在我国大体上有三种桥梁超载现象：一是一些老桥梁超龄负载运营，较早时期修建的；二是车流量超过了设计上限的桥梁在实际使用过程中；三是违规超载现象，这种现象只有个别车辆存在。为了计算方便，均布荷载及集中荷载组合作为桥梁设计建议设计荷载的优先选择。城市桥梁中，占绝大大多数的是低于50m跨度的荷载连续的中小型跨度桥，应该5～50m跨度桥梁按照荷载的内插方法，具体的参照《公路桥梁设计通用规范》（JTGD60-2004）来考虑。

3.2耐久性问题

在建造和使用桥梁的过程中，因为其基本功能导致，桥梁要能抵抗住包括有害化学物质和自然环境（如以及台风、地震）以及人为因素等作用的影响。另外，在桥梁使用过程中，其材料将会日趋衰退导致功能减退，导致了桥梁各部分存在不同程度的损坏。据不完全统计，除上述原因，影响桥梁结构耐久性的问题根源是设计。

4桥梁作用效应组合

根据极限承载能力来设计荷载组合，有以下几种组合方式：组合Ⅰ，基本可变荷载与永久荷载组合；组合Ⅱ，基本可变荷载与永久荷载组合加上可变荷载；组合Ⅲ，基本可变荷载与永久荷载组合加上偶然荷载（由于船只或漂浮物碰撞而引起）；组合Ⅳ，城市桥梁在施工过程中，可以利用施工中可能出现的结构重力、脚手架、材料机具、人群等由于施工而产生的荷载进行组合；组合Ⅴ，城市桥梁在设计时承受的永久荷载，例如由于重力、预加力、地震等原因产生的荷载相互作用组合在一起组合方式。桥梁设计中结构重力与汽车荷载二者产生的效应方向相同时：组合Ⅰ：1.2SQ+1.4S'Q1；组合Ⅱ：

1.1SQ+1.4S'Q1+1.3SQ2：但是，如果桥梁设计中结构重力与汽车荷载二者产生的效应不同：组合Ⅰ：0.9SQ+1.4S'Q1；组合Ⅱ：0.8SQ+1.3S'Q1+1.3SQ2。其中结构重要性系数为标准值、频域值、分项系数以及组合系数等，此内容在进行公路桥梁设计时，自由度和灵活度设计宽泛一些。

参考文献：

[1]王大伟.我国公路桥梁设计中车辆荷载标准的发展历程[J].交通标准化，2005.

[2]贡金巍.工程结构可靠性设计原理[M].北京：机械工业出版社，2007.