各国设计规范中水平向汽车荷载的比较.pdf

2 0 1 5 年1 2 月第1 2 期城市道桥与防洪桥梁结构5 7各国设计规范中水平向汽车荷载的比较李佶，王洪龙，刘旭锴(天津市市政工程设计研究院，天津市3 0 0 0 5 1)摘要：随着我国对外建设投资规模的逐年增大和国际市场的一体化趋势，我国设计单位遇到了前所未有的开拓国际设计一施工总承包市场的机遇。面对国际建筑市场带来的机遇与挑战，需要掌握国际上流行的各国常用设计规范，如：英国传统规范B r i t i s hs t m d a r d、法国传统规范F a”i c I l l e，和近年来欧洲标准化委员会制定并力推的欧洲规范E u r o o o d e，以满足国际市场业主的各类要求。现重点介绍上述三种规范中关于水平向汽车荷载的规定，并对其进行了综合总结和比较分析，便于桥梁工程师在面对国际工程设计时进行参考应用。关键词：建筑国际市场机遇；国外设计规范；水平向汽车荷载；比较中图分类号：u 4 1 2文献标志码：B文章编号：1 0 0 9 7 7 1 6(2 0 1 5)1 2 0 0 5 7 一0 5O 引言当前，中国土木工程界正在大踏步地迈向国际市场，并迎风逐浪勇于做弄潮儿，参与到如：亚洲、非洲和拉丁美洲等国的国际项目的竞争大潮中。在中国企业参与国际分工程度不断加深的同时，面对着国际化带来的问题和挑战。作为设计单位，面对的第一个、也是最重要的一个问题就是业主要求使用国外规范的问题。在目前我国企业涉及的国际市场中，2 0 0 5 年前国际招标时常用规范主要为英国和法国规范。例如针对桥梁部分设计，英国传统规范为B d t i s hs t a l l d a r d 系列和法国传统规范F a s c i c u l e 系列。但随着欧盟统一化的进程，近年来亚洲、非洲、拉丁美洲也有着越来越多地使用欧洲规范E u r o c o d e 代替原有规范的倾向。因此，需要对英国传统规范B r i t i s hs t a n d a r d、法国传统规范F a s c i c u l e 和欧洲规范E u r o c o d e 这三种规范分别学习掌握，以满足国际市场的竞争需要。桥梁结构在其寿命周期内所经历的最主要的活载是汽车荷载。我国随着近年来经济水平提高和国内基础建设大发展，积累了大量工程实践经验，完善了自己的设计标准。但由于各国经济水平、交通状况、技术习惯等方面千差万别，造成各国规范中汽车荷载的差别最大。随着国际经济交流的愈趋频繁，对于桥梁设计者而言，有必要了解各国的规范中关于汽车荷载的不同规定。下面就收稿日期：2 0 1 5 0 8 2 1作者简介：李佶(1 9 8 2 一)男，天津人，硕士，高级工程师，从事公路桥梁工程设计工作。详细介绍一下英国传统规范B r i t i s hs t a n d a r d、法国传统规范F 鹊c i c u l e 和欧洲规范E u 0 c o d e 中水平向汽车荷载的定义，主要分为汽车制动力荷载、车辆侧滑荷载、汽车离心力荷载三个部分。由于篇幅所限，在此只介绍对于大跨度桥梁的最不利荷载，即纵向最不利荷载一车道类汽车荷载产生的水平向荷载。1 各国设计规范中水平向汽车荷载的比较分析1 1 汽车制动力荷载1。1。1 英国传统规范B r i t j s hs t a n d a r d英国传统规范B 埘s bs 胁d a r d 中规定，H A 类(车道类)汽车制动力荷载为8k N M 的均布荷载，加载于宽度为一名义车道宽、长为X 的某区域上，加上2 5 0k N 的集中荷载，荷载总值应小于等于7 5 0k N，方向均为沿桥向。1 1 2 法国传统规范F a s c i c u l e法国传统规范F a s c i c u l e 规定，A 类(车道类)汽车荷载的制动力为面i 蒜xA 类荷载总重，其中s 为负载面积，单位m 2。1 1 3 欧洲规范E u r o d e欧洲规范E u r o c o d e 规定汽车制动力荷载钆，依照公式Q l k=O 6 dQ 1(2 Q l k)+0 1 dq 1 q l k w IxL 计算，方向沿桥向。其中aQ I、Q I k、d。、q。k 按照荷载模型1 的定义取值。在桥梁总宽度内，钆标准值的取值范围是Qo。1 8 0 Q。9 0 0k N。万方数据5 8桥梁结构城市道桥与防洪2 0 1 5 年1 2 月第1 2 期1 2 车辆侧滑荷载1 2 1 英国传统规范Br i t i s hs t a n d a r d英国传统规范B r i t i s hs t a n d a r d 中规定车辆侧滑产生的偶然荷载，无论直桥、弯桥的情况下均为单点荷载，只作用于一个名义车道上，荷载值为3 0 0k N，方向为桥梁平面内任意。1-2 _ 2 欧洲规范E u r o c o d e欧洲规范E u m c o d e 规定车辆侧滑产生的荷载应为汽车制动跑偏或侧滑引起的横向力。车辆侧滑产生的荷载方向为横桥向，数值等于上式计算的纵向汽车制动力荷载Q m 的2 5。1 3 汽车离心力荷载1 3 1 英国传统规范Br i t i s hs t a n d a r d英国传统规范B r i t i s hs t a n d a u r d 中规定名义汽车离心力荷载仅在桥梁水平半径小于10 0 0m 时考虑，其值为R：黑(单位k N)，该荷载为点r 十I)U荷载，方向沿该点桥梁曲线半径方向。1 3 2 法国传统规范F a s c i c u I e法国传统规范F a s c i c u l e 中规定汽车离心力荷载仅在曲线段桥梁情况下基于B c 类卡车荷载来计算，方向沿该点桥梁曲线半径方向。其离心力具体数值为系数乘以自身重量(每轴)。该系数在半径小于等于4 0 0m 时为：揣，在半径大于4 0 0m 时为：半。该荷载还需乘以B 类汽车荷载圜的动力系数。1 3 3 欧洲规范E u r o c o d e欧洲规范E u r o c o d e 规定汽车离心力荷载是一种横向力，方向沿桥梁曲线半径方向。当桥梁曲线半径小于2 0 0m 时，汽车离心力为：Q 山=0 2 Q。；当半径在2 0 0m。15 0 0m 之间时，汽车离心力为：叽=4 0 Q，r；当半径大于15 0 0m，不考虑汽车离心力效应。其中竖向荷载总和为：Q，=do。(2 Q。)，仪Q 1、Q，。按照竖向荷载模型1 中的定义取值。2 三种规范与中国规范的计算实例比较2 1 项目背景我国在文莱达鲁萨兰国P M B 岛跨海大桥的项目的投标计算中，分别应用了中国、欧洲、法国、英国四种不同规范。具体项目背景如下：连接文莱本土和P M B 岛之间的跨海桥梁部分总长26 8 0m，桥面宽2 3 6m，为双向4 车道，每个车道宽3 6 5m，两边带3m 的硬路肩，中间有2 m 的分隔带，两侧有0 5m 宽的防撞护栏。设计车速1 0 0k n l l l。大部分桥梁采用每联4 跨，每跨6 0m 的典型跨径布置。其上部结构采用等截面预应力连续箱梁的结构形式，每联设一个制动墩，制动墩高2 2m。下部结构采用墩柱+桩基础的结构形式。标准横断面如图1 所示。在这里，选取曲线段桥梁(半径5 5 0m)中典型叠至套一可 晤i出=：=：声图1 文莱P M B 岛跨海大桥横断面图D 壤鳞曹黼l懒k一薄缈爹爹。；j攀鬻万方数据2 0 1 5 年1 2 月第1 2 期城市道桥与防洪桥梁结构5 9跨径布置一每联4 跨，每跨6 0 m 的预应力连续箱梁作为模型，分别按照上述四种规范计算水平向汽车荷载。2 2 四种规范中水平向汽车荷载标准值计算结果比较2 _ 2 1 汽车制动力荷载标准值现采用各国规范中最不利的竖向汽车荷载，并且按照单向最大加载车道数，计算出各国规范中汽车制动力荷载标准值的最大值，方向均为沿桥向，具体结果如表1 所列。表1 各规范汽车制动力荷载标准值一览表2 2 2 车辆侧滑荷载标准值中法两国规范没有对车辆侧滑荷载做出规定。对于该荷载，英国规范规定方向为桥梁平面内任意方向，欧洲规范规定方向为横桥向，具体结果如表2 所列。表2 各规范车辆侧滑荷载标准值一览表2 2 3 汽车离心力荷载标准值四种规范均根据桥梁曲线半径来计算汽车离心力荷载，考虑该桥双向行驶的情况，具体结果如表3 所列。表3 各规范汽车离心力荷载标准值一览表2 3 四种规范中水平向汽车荷载在荷载组合中计算结果比较汽车荷载从不单独存在，只在荷载组合中与其它荷载组合来影响结构。下面看看各国规范中的极限承载能力组合和正常使用组合中的汽车荷载效应。在此，去取墩柱底部的弯矩和剪力进行比较(弯矩最大值处)。2。3。1 极限承载力组合2 3 1 1 单项效应在极限承载力基本组合中，中国规范汽车荷载分项系数为1 1 1 4，法国规范为1 0 7 一1 5，欧洲规范为1 3 5，英国规范为1 2 5(除离心力分项系数为1 5)。其单项效应的其所结果如表4 表6 所列。表4 极限承载力组合下各规范汽车制动力的弯矩及剪力效应一览表表5 极限承载力组合下各规范车辆侧滑的弯矩及剪力效应一览表表6 极限承载力组合下各规范汽车离心力弯矩及剪力效应一览表2 3 1 2 组合效应对于上述三种水平向汽车荷载，各国规范分别对其组合方式做如下规定：英、法两国规范规定水平向汽车荷载不能互相组合使用，中国规范规定制动力和离心力可按各自标准值的7 0 组合使用，欧洲规范规定制动力与侧滑力可按各自的标准值组合使用(见表7)。表7 极限承载力组合下各规范水平向汽车荷载的弯矩及剪力效应一览表万方数据6 0 桥梁结构城市道桥与防洪2 0 1 5 年1 2 月第1 2 期对此，可以发现，承载能力极限组合下的单项弯矩和剪力效应，除欧洲规范中的汽车制动力效应偏大外，四种规范效应基本相近。同样，欧洲规范的组合效应也比中国规范大。与之相应，欧洲规范承载力组合的控制标准也比其他规范大。以该工程C 5 0 混凝土为例，各国规范中混凝土抗压设计值分别为：中国规范2 2 4M P a；法国规范2 2 7M P a；英国2 2 3M P a；欧洲规范2 6 7M P a。2 3 2 正常使用极限组合2 3 2 1 单项效应现选取各国规范中汽车荷载分项系数最大的正常使用组合类型：中国规范汽车荷载分项系数为0 7，法国规范为1 2，欧洲规范为1 0，英国规范为1。其单项效应的具体结果如表8 表1 0 所列。表8 正常使用极限组合下各规范汽车制动力的弯矩及剪力效应一监表正常使用组合下汽车制动力荷载，l(N中国规范法国规范欧洲规范英国规范4 0 34 3 09 0 07 5 0正常使用组合下汽车制动力的弯矩效应K N m中国规范法国规范欧洲规范英国规范88 7 09 4 6 01 98 0 01 6 5 0 0正常使用组合下汽车制动力的剪力效应k N中国规范法国规范欧洲规范英国规范4 0 34 3 09 0 07 5 0表9 正常使用极限组合下各规范车辆侧滑的弯矩及剪力效应一览表承载力组合下车辆侧中国规范法国规范欧洲规范英国规范滑荷载l【N。n正常使用组合下车辆中国规范法国规范欧洲规范英国规范侧滑的弯矩效应I(N m一一4 9 5 06 6 0 0承载力组合下车辆侧中国规范法国规范欧洲规范英国规范滑的剪力效应，k N，n 表1 0 正常使用极限组台下各规范汽车离心力的弯矩及剪力效应一览表正常使用组合下汽车中国规范法国规范欧洲规范英国规范离心力荷载，k N1 4 82 2 81 7 52 2 9正常使用组合下汽车中国规范法国规范欧洲规范英国规范离心力的弯矩效应I(N m32 5 05 0 2 338 4 05 0 2 9正常使用组合下汽车中国规范法国规范欧洲规范英国规范离心力的剪力效应，k N1 4 82 2 81 7 52 2 92。3-2 1 2 组合效应同上述极限承载力组合中的组合方式，各国规范在正常使用组合中的组合效应如表1 l 所列。表1 1 正常使用极限组合下各规范水平向汽车荷载的弯矩及剪力效应一览表正常使用组合下中国规范法国规范欧洲规范英国规范水平向汽车荷载的弯矩效应l c N7 0 0 82 01 6 9一正常使用组合下中国规范法国规范欧洲规范英国规范水平向汽车荷载的剪力效应l【N3 1 99 1 7一根据结果，中国规范在正常使用组合下的单项和组合效应与三种国外规范相比都偏小，但需考虑到四种规范的控制标准不同。仍以该工程C 5 0混凝土为例，中国规范短期组合允许拉应力为1 3 2M P a，但法国、英国、欧洲规范的允许值分别为2。7M P a，2 5 5M P a 和3。5 1M P a。由于组合控制标准存在差异，正常使用极限组合下中国与国外规范组合效应差别也是可以理解的。2 4 四种规范中汽车水平向荷载的理论分析比较2 4 1 汽车制动力荷载中国规范与法国规范都采用竖向汽车单向行驶满载的重量乘以水平系数的定义方式，而欧洲规范与英国规范的采用与竖向汽车荷载无关的独立定义方式，从实际出发，汽车制动力近似于车与桥面的滑动摩擦力，因此竖向汽车满载重量乘以水平系数的定义方式更接于实际情况，以该工程为例，与竖向汽车荷载无关的独立定义方式计算得出的荷载标准值偏大，更为不利。2 4 2 车辆侧滑荷载中法两国规范没有对车辆侧滑荷载做出规定。欧洲规范采用与制动力荷载相关的定义方式，英国规范采用与竖向荷载及桥梁长度无关的独立定义方式，以该工程为例，两种定义方式荷载标准值相似。2 4 3 汽车离心力荷载仅中国规范规定离心力荷载与路线设计速度有关。考虑实际情况，汽车离心力近似于车在曲线运动下的惯性力=m V 诹，因此从公式表面上推断中国规范更贴近实际。但根据该工程实例计算，四种规范的离心力荷载标准值非常近似，由此推断可能其它规范已经将路线设计速度融入计算公式中(路线设计速度受曲线半径的影响)。此外，除英国规范采用与竖向汽车荷载无关的独立定义方式，其余规范均采用离心力系数乘以车辆荷载来计算。以该工程为例，与竖向汽车荷载无关的独立万方数据2 0 1 5 年1 2 月第1 2 期城市道桥与防洪桥梁结构6 1定义方式计算得出的荷载标准值稍大，更为不利。四种规范均采用分段定义的方式，根据桥梁曲线半径来计算汽车离心力荷载。除法国规范没有明确规定半径大于某值时不需考虑汽车离心力荷载外，其余规范都规定了半径豁免计算值：中国规范是2 5 0m，英国规范是l0 0 0m，欧洲规范是15 0 0m。由此可见对于曲线桥梁，国外规范豁免计算标准更严格。2 4 4 水平向汽车荷载组合方式英法两国规范规定水平向汽车荷载不能相互组合，只能与竖向荷载组合。而中国规范规定汽车制动力可以和汽车离心力按各自标准值的7 0 组合，欧洲规范规定汽车制动力可以和车辆侧滑荷载按各自标准值组合。根据该工程实例，欧洲规范组合后效应最为不利。3 结语中国规范没有定义车辆侧滑荷载。因此在进行国外工程设计时，应按照当地要求使用相应的国外规范，并注意与其它水平向荷载进行组合。对于汽车离心力荷载，中国规范的半径豁免计算值偏小(2 5 0m)，国外规范半径豁免计算值都在10 0 0m 以上。由此可见对于曲线桥梁，国外规范豁免计算标准更严格。因此，在进行国外曲线桥梁工程设计时，应按照相应规范和当地习惯做法进行精细设计，不能简单地使用国内常用的半径豁免计算值。根据国外工程实例计算得出，在承载能力极限组合下，欧洲规范的单项和组合效应都比其他三种规范大。无独有偶，在正常使用极限组合下，中国规范的单项和组合效应都比其他三种规范小。与此同时，可以发现在承载能力极限组合下，欧洲规范的控制标准比其他规范宽松；而在正常使用极限组合下，中国规范的控制标准比其他规范严格，因此殊途同归，中外规范间效应的差别是可以理解并有其合理性的。七七七t t _ 七|_ t _ _ _ 七_|七七七t t 七七专七七七七(上接第4 7 页)丑O 7 0R倒0 6 0O 5 00 4 0O 3 00 2 00 1 00 0 0J1，0。州V WI”H 1、f02 04 06 08 01 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0单元图6 主纵梁疲劳强度计算结果4 4 整体稳定计算利用上述空间模型，依据特征屈曲理论进行空间稳定分析，计算得到成桥恒载+满布活载状态稳定系数，前4 阶屈曲稳定系数见表4。由以上表和图的结果可知，该桥的整体稳定性较好，完全满足运营阶段的使用要求。4 5 杆件局部稳定计算根据钢桥规中关于总体稳定性计算公式，对于受压并在一个主平面内受弯曲的构件应满裹4 整体稳定分析结果足：筹+未等妒-盯】(1 2 1 6-3)。运用M i d 鸽C i“l 的截面验算功能可对全桥各构件进行稳定计算。经过计算，所有杆件局部稳定均满足规范要求。5 结语金光桥主桥造型优雅庄重，拱曲线与周围环境融合协调，成桥后已成为当地一处靓丽的风景。万方数据