中欧规范对公路桥梁活载计算的对比分析

中欧规范对公路桥梁活载计算的对比分析

1欧洲规范桥梁活载效应的对比分析正确计算道路桥梁的设计载是影响桥梁结构安全合理设计的重要因素之一。不同国家的桥梁设计规范规定了桥梁的运营载。由于技术进步、地理环境和桥梁结构本身的特点，不同国家和地区的计算方法不同，因此在这些模式下产生的运营荷载效应也不同。从2010年3月要求在欧洲大范围采用欧洲规范,同时撤出和欧洲规范相抵触的各成员国规范。因此目前大量海外工程要求采用欧洲规范进行设计,这就迫切需要研究欧洲规范桥梁活载的计算特点,并与中国规范进行对比分析,找出异同,以便工程师熟练合理地运用欧洲规范进行桥梁结构的设计。本文主要解析了欧洲规范中在常规公路桥梁设计时需要考虑的汽车荷载、汽车离心力、人群荷载、汽车制动力、风荷载、温度作用等活载计算的相关规定,并与中国规范的相应条款进行了简要对比分析,最后运用2种规范对某桥梁结构的活载效应进行了计算,并做了对比分析。2桥梁设计的活载计算2.1荷载模式分类欧洲规范BSEN1991-2:2003中汽车荷载包括4种模式,即荷载模式1(LM1)、荷载模式2(LM2)、荷载模式3(LM3)、荷载模式4(LM4),前3个荷载模式既能用于整体验算,也能用于局部验算,荷载模式4只能用于整体验算。对任何设计状况,当实际情况需要考虑该荷载时,都应考虑荷载模式1、2和3,荷载模式4仅在某些短暂设计状况使用。2.1.1集中荷载调整系数q和局部验算荷载模式1由双轴集中荷载(TS)和均布荷载(UDL)组成(见图1)。双轴集中荷载每个轴重为αQQk,αQ为调整系数,在整体验算时,每个车道只考虑1个双轴集中荷载(即2个轴载),每个轴包含2个单独的车轮,每个车轮的荷载等于0.5αQQk。均布荷载的大小为理论车道(欧洲规范中理论车道的概念仅用于计算,行车道按每3m划分为1个理论车道,产生最不利效应的车道编号为车道1,产生第2不利效应的车道编号为车道2,依此类推,多余部分为剩余区域)每平方米的重量αqqk,αq为调整系数,均布荷载应按影响面布置在最不利位置上。αQi(理论车道i集中荷载调整系数)、αqi(理论车道i均布荷载调整系数)和αqr(剩余区域均布荷载调整系数)应根据预测的交通和公路等级的不同进行选择,当调整系数取1时,代表交通中很大一部分是重型车辆,对于普通公路或高速公路,集中荷载的调整系数αQi和车道1上的均布荷载调整系数αq1会适当的减小10%～20%。荷载模式1在用于局部验算时,将双轴集中荷载布置在最不利位置,每一个车轮的轮压区域视为边长0.4m的正方形,相邻2个车道的2个轮轴的距离应不小于0.50m(见图1)。荷载模式1标准值见表1。2.1.2荷载模式2的单轴作用结果分析荷载模式2由1个单轴荷载组成,单轴荷载轴重为βQQak,其中Qak=400kN,βQ为调整系数,一般βQ=αQ1。荷载模式2的单轴荷载可能作用在行车道的任何一个位置,当作用在伸缩缝附近时,应乘上附加的动力放大系数Δφfat=1.30(1-D/26)≥1,D为作用位置距伸缩缝的距离(m)。单轴的每个车轮的轮压面积应按照矩形区域考虑,矩形的边长为顺桥向0.35m、横向0.60m(见图2)。荷载模式2较多地应用于正交异性桥面板的局部分析。2.1.3,400kn3种荷载模式3是一系列轴载的集合(见图3),这些轴载代表了经过特殊许可而允许在公路上行驶的特殊车辆(例如用于工业运输的车辆)。组成荷载模式3的车辆在尺寸和重量上都与常规汽车荷载不一样,在欧洲规范BSEN1991-2:2003的附录A中给出了这些特殊车辆荷载,车辆总重为600～3600kN,轴载则包括150,200,240kN3种,如对600kN总重的车辆,由4个间距为1.5m、150kN的轴载组成,而对1800kN总重的车辆,可以由12个间距为1.5m、150kN的轴载组成,也可以由9个间距为1.5m、200kN的轴载组成。当车辆总重超过3600kN时,需对具体工程单独定义。荷载模式3主要应用于一些特殊车辆荷载。对荷载模式3,假设车辆以低速(不超过5km/h)或正常速度(70km/h)行驶,当以低速行驶时,车辆荷载不考虑动力放大系数;当以正常速度行驶时,考虑动力放大系数φ(φ=1.40-L/500≥1)。荷载模式3可与荷载模式1共同作用,当假设车辆以低速行驶时,在车道1上布置特殊车列(对240kN轴载的车轮要跨越车道1和车道2),在行车道的其余部位布置荷载模式1的车辆荷载,即使在布置了特殊车队的车道上也要布置荷载模式1的车辆荷载,但应布置在轴外边线不少于25m的区域(见图4)。当假设车辆以正常速度行驶时,只需在车道的其余部位布置荷载模式1的车辆荷载,布置了特殊车队的车道上不再布置荷载模式1的车辆荷载。2.1.4风险模式组合荷载模式4是人群荷载,为大小等于5kN/m2的均布荷载,作用在桥面板相应的长度和宽度上。荷载模式4与荷载模式1～3是相斥的,不能互相组合(与作用在人行道上的人群荷载不同,作用在人行道上的人群荷载欧洲规范中一般取3kN/m2,可与荷载模式1组合)。荷载模式4只有在城镇或近城镇的桥梁中,荷载模式1的效应未包含荷载模式4的效应时考虑,且只用于短暂设计状态的验算。2.1.5局部分析模式比较中国规范中的汽车荷载分为车道荷载和车辆荷载,前者用于结构的整体验算,后者用于局部验算。车道荷载又分公路Ⅰ级和公路Ⅱ级,两者荷载模式是一样的,都是由集中荷载和均布荷载组成,但取值不同。欧洲规范的荷载模式1整体计算模式与车道荷载在形式上有相似的地方,均由集中力和均布力组成,但欧洲规范的集中力为双集中力,均布力为面荷载,且车道不同,大小也不一样,而中国规范的车道荷载集中力只有1个,均布力为线荷载,多车道时考虑折减。中国规范局部分析时采用车辆荷载,其轮距为1.8m,前轮着地面积为0.3m×0.2m,中、后轮着地面积为0.6m×0.2m,当布置多辆车时,横向车辆最小间距为0.6m。可以看出,中国规范车辆荷载与欧洲规范荷载模式1及荷载模式2的局部分析模式在轮压大小、轮压布置等方面是有差异的。同时,欧洲规范中汽车荷载值均已考虑了动力放大系数,而中国规范还需要根据结构基频来求得冲击系数(也即动力放大系数)。2.2中国规范汽车荷载制动力特性下表2欧洲规范中制动力Q1k为作用在行车道表面的1个纵向力,其标准值不大于900kN,按照对应于荷载模式1可能作用在车道1上的最大竖向荷载的摩擦力进行计算,Q1k=0.6αQ1×(2Q1k)+0.1×αq1q1kw1L,(180αQ1)kN≤Q1k≤900kN,制动力可作用在任何车道中心线上,且沿加载长度均匀分布。中国规范汽车荷载制动力按车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%计算,对公路Ⅰ级不小于165kN,公路Ⅱ级不小于90kN。可以发现,两者制动力都与加载长度、车道荷载大小有关,且都有限值的规定。但是,欧洲规范制动力大小与车道数量没有关系,它的计算涉及到车道1的荷载大小、车道宽度,而中国规范制动力与车道数息息相关,为避免数值过大,多车道时需考虑折减。2.3离心荷载计算欧洲规范中汽车离心力Qtk为作用在行车道的表面、沿行车道径向的横向力,离心力为能够作用在桥面板任何截面上的1个点荷载。包含了动力效应的Qtk按表2取值。中国规范规定当弯道桥的曲线半径r≤250m时,应计算汽车荷载引起的离心力,汽车荷载离心力标准值为不计冲击力的车辆荷载标准值乘以离心力系数C,C=V2/127R。式中,V为设计速度(km/h),按桥梁所在路线设计速度采用;R为曲线半径(m)。比较2种规范可知,中国规范只有在r≤250m时考虑离心力,其大小与桥梁设计速度和曲线半径有关;欧洲规范在r≤1500m时考虑离心力,且大小与桥梁设计速度无关,当200m≤r≤1500m,其大小与曲线半径有关,当r<200m,其大小为一恒值。2.4风负荷2.4.1引荐值的确定根据欧洲规范BSEN1991-1-4:2005,当不需要考虑桥梁动力响应时,上部结构横向风力Fw可用简化公式计算:Fw=12ρv2bCAref,xFw=12ρvb2CAref,x式中,vb为基本风速;C为风荷载系数,C=cecf,x,ce为暴露系数,cf,x为横向力系数,C值也可查表得到;ρ为空气密度(可取为1.25kg/m3);Aref,x为计算面积。当需要考虑纵向风力时,欧洲规范给出了推荐值:对板桥,纵向风力取25%横向风力;对桁架桥,纵向风力取50%横向风力。2.4.2结构压力创造系数qp欧洲规范中下部结构的风荷载无相应的简化公式,应按照一般公式进行计算,即Fw=cscdcfqp(ze)Aref,xFw=cscdcfqp(ze)Aref,x式中,cs为尺度系数;cd为结构动力系数;cf为力系数;ze为计算高度(结构地表面以上的最大高度);qp(ze)为计算高度ze处的动压力峰值,qp(ze)=qb[cr(z)]2[c0(z)]2ce(z),cr(z)为粗糙度系数,c0(z)为地形系数,ce(z)为暴露系数。中国规范中桥梁上部结构和下部结构风力的计算采用统一公式Fwh=k0k1k3WdAwh,它综合考虑了地形、地理条件、地表状况、地面粗糙度等因素,与欧洲规范风荷载公式相比,其思路是一致的。2.5温度作用欧洲规范BSEN1991-1-5:2003中温度荷载包括均匀温度作用和梯度温度作用。2.5.1初始温度n欧洲规范均匀温度类似于中国规范中的结构整体升、降温。升、降温差计算为:升温温差ΔTN,exp=Te,max-T0;降温温差ΔTN,con=T0-Te,min。式中,T0为桥梁结构受到约束时(因均匀温度作用引起的外加变形或约束变形)的初始温度;Te,min为桥梁结构最小均匀温度;Te,max为桥梁结构最大均匀温度。2.5.2竖向非线性温度梯度欧洲规范中梯度温度作用可用2种方法来模拟,即竖向线性和竖向非线性温度作用。竖向线性温度作用通过对桥面板顶、底施加一线性的温度梯度(ΔTM,heat和ΔTM,cool)来实现,ΔTM,heat和ΔTM,cool的值可见各采用欧洲规范国家的国家附录,欧洲规范也给出了建议值,其大小与桥面板类型、铺装层厚度等因素有关。竖向非线性温度作用通过对梁体施加一非线性的温度梯度来实现。根据桥面板的不同(分为钢桥面板、复合桥面板、混凝土桥面板)有不同的施加模式。图5给出了混凝土桥面板桥梁结构的非线性温度梯度模式。图中对升温梯度作用,h1=0.3h≤0.15m,0.10m≤h2=0.3h≤0.25m,h3=0.3h≤(0.10+铺装厚)m;对降温梯度作用,h1=h4=0.20h≤0.25m,h2=h3=0.25h≥0.20m。中国规范梯度温度(见图6)与欧洲规范相比,两者都采用折线模式,各温度取值都与铺装类型、铺装厚度有关,但欧洲规范考虑了梁底温差,且在各温度取值上也有差异。2.5.3tk主要法均匀温度和梯度温度可以同时作用,但同时作用时须对二者进行调整,其调整系数ωN=0.35、ωM=0.75,则温度作用表达式为: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汽车荷载载—算例分析某3×16m钢筋混凝土简支梁桥,桥面先简支后连续,上部结构为预制钢筋混凝土矩形梁,预制梁高1.15m,上铺厚20cm现浇混凝土桥面板,采用厚5cm沥青混凝土桥面铺装。桥梁全宽15.5m,横向设8片主梁,桥墩采用ϕ1.2m柱式墩。分别应用欧洲规范和中国规范对结构进行活载的计算,其中欧洲规范汽车荷载整体效应计算采用荷载模式1,中国规范采用公路Ⅰ级;汽车制动力按一联48m进行计算;上部结构风荷载按一联进行计算,下部结构以其中最高墩(9.1m)为例进行计算;由于为简支结构,温度作用只考虑梯度温度产生自应力;计算汽车离心力时,假设桥梁处在不同平面半径上。计算结果见表3及图7。根据计算结果可知:(1)欧洲规范汽车荷载效应比中国规范计算的要大,但应注意,此处欧洲规范计算未考虑调整系数,且在荷载组合时荷载组合系数不同,如在承载能力极限状态验算时,汽车荷载效应的分项系数欧洲规范为1.35,中国规范为1.4,综合考虑后,两规范汽车荷载效应相差不大。(2)汽车制动力欧洲规范计算结果较大。(3)汽车离心力欧洲规范计算结果较小,特别是半径较小时,差别较大。(4)上部结构风荷载欧洲规范计算结果较大,下部结构风荷载中国规范计算结果较大。(5)非线性梯度温度中国